Brevet FR3017009A1 — publié le 20150731

La présente invention concerne une méthode de stockage, de transport et de restitution d'énergie électrique à grande échelle (plusieurs dizaines voir centaines de milliers de Mwh), le stockage d'énergie étant réalisé sous la forme d'hydrogène liquéfié. La production d'énergie renouvelable à faible coût dans des zones très favorables à leur production et son transport vers des sites de consommation est un enjeu majeur. En effet, les zones de production les plus favorables (zones très ventées pour l'éolien, zones à fort ensoleillement direct pour le solaire, zones avec de l'espace disponible peu urbanisées ou peu industrialisées) ne correspondent en général pas aux zones de forte consommation électrique. Le transport de l'énergie sur des milliers de km avec parfois la nécessité de traverser des océans représente une difficulté importante. Les lignes électriques ne sont ni techniquement ni économiquement adaptées à ce challenge et ne solutionnent pas le problème de l'intermittence des sources de production. La filière hydrogène est une alternative intéressante, l'hydrogène ayant un pouvoir calorifique de près de 33 Kwh/kg: Sa production au moyen d'électrolyseur est bien maîtrisée avec des rendements qui atteignent 80% pour des pressions de sortie jusqu'à 30 bars. Sa liquéfaction permet son transport avec des densités suffisantes (70 kg/m3) par bateau, camion ou pipeline. Le coût énergétique de la liquéfaction reste cependant important avec de 8 à 12 Kwh par kg associé à des pertes au stockage (environ 0.06% par jour). Son utilisation comme combustible dans des centrales de type cycle combinée permet d'atteindre des rendements de conversion de l'énergie thermique en énergie électrique légèrement supérieurs à 50%, les piles à combustible pouvant être une autre solution pour produire de l'électricité à partir d'hydrogène dans l'avenir. Le rendement global du cycle complet, depuis la fourniture d'énergie électrique jusqu'à sa restitution est dans la meilleure technologie actuelle de : 0.8*((33-8)/33)*0.5*0.98 = 0.297 La méthode selon l'invention permet le stockage et le transport d'énergie électrique et comprend au moins : - La production d'hydrogène gazeux à partir d'énergie électrique - La liquefaction de cet hydrogène - Le transport de cet hydrogène liquide - L'utilisation du froid généré par le rechauffement de l'hydrogène après son transport et avant son utilisation comme combustible pour refroidir ou liquéfier de l'air utilisé dans un procédé de production d'énergie électrique afin d'améliorer le rendement global du cycle de stockage depuis la production de l'électricité jusqu'à sa restitution - L'utilisation de l'hydrogène comme combustible dans un procédé de production électrique Selon des modes particuliers de réalisation : - le procédé de production électrique peut comprendre une ou des machines de détente de l'air - le procédé de production électrique peut comprendre une ou des machines de compression de l'air le procédé de production électrique peut comprendre une ou des piles à combustible le froid géneré par le rechauffement de l'hydrogène peut etre utilisé pour refroidir l'air avant ou pendant sa compression dans la ou les machines de compression de l'air De nombreux procédés de production électrique utilisent l'air comme fluide de travail. Il y est comprimé dans une ou plusieurs machines de compression de l'air. Le froid généré par le rechauffement de l'hydrogène peut alors etre utilisé pour refroidir l'air en entrée du ou des compresseurs. Il peut s'agir également d'une compression avec des refroidissements intermédiaires. Dans ce cas, le froid de l'hydrogène peut également etre utilisé pour refroidir l'air après le refroidissement intermédiaire et avant l'entrée dans l'étage de compression suivant. Il peut également s'agir de refroidir l'air entrant dans le compresseur d'une turbine à combustion dans un cycle combiné, l'hydrogène étant utilisé comme combustible. Pour un ratio de 100 kg d'air pour 1 kg d'hydrogène, le refroidissement possible de l'air est d'environ 40°C. Le rendement d'un cycle combiné passe alors de 50% à 53.5% associé à un débit massique très supérieur à débit volumique constant. Le rendement global du cycle de stockage de l'énergie électrique passe alors de 29,7% à 31.8%. le froid généré par le rechauffement de l'hydrogène peut etre utilisé dans un procédé de liquefaction de l'air l'air liquéfié peut alors etre pompé liquide à haute pression, puis réchauffé de façon isobare, le froid généré par son rechauffement étant utilisé en tout ou partie pour refroidir l'air dans le procédé de liquefaction de l'air, et ensuite détendu dans la ou les machines de détente de l'air du procédé de production électrique. Après liquefaction de l'air l'oxygène et l'azote peuvent etre séparés pour etre utilisés séparément Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente un schéma d'un cycle hydrogène parmi l'art antérieur La figure 2 représente un schéma représentant le cycle hydrogène tel que proposé dans la revendication 6 Ln figure 3 représente un mode de réalisation du dispositif (24) de liquefaction de l'air La figure 1 représente un schéma du cycle de l'hydrogène tel que proposé dans l'art antérieur. Une des applications est celle ou l'électricité est produite et disponible dans une zone peu consommatrice. On peut citer pour exemple le sud de l'Amérique du sud pour la production éolienne, le Sahara ou certaines régions du désert australien ou américain pour la production solaire, l'Islande pour la production hydroélectrique ou géothermique. Ces zones permettent de produire de l'énergie électrique dans des conditions très favorables mais sont très éloignées des centres de consommation. Le transport de cette électricité par des lignes de transport est peu adapté à des distances de plusieurs milliers de km, le plus souvent à travers les océans, à la fois techniquement et économiquement. De plus, les lignes électriques ne servent qu'à transporter l'électricité et n'apportent pas de solution à l'intermittence des sources de production. La transformation de l'électricité à stocker en hydrogène (par exemple par électrolyse), le transport de l'hydrogène et son utilisation comme combustible sur le site de consommation permet à la fois de transporter et de stocker l'énergie électrique. L'hydrogène gazeux (12) est produit à partir d'électrolyse (11) en utilisant l'énergie électrique (10) à stocker. L'hydrogène est ensuite liquéfié dans un procédé de liquefaction (14). Les besoins énergétiques actuels des procédés de liquefaction dépendent largement des procédés utilisés et de la capacité de l'installation de liquefaction. Ils se situent actuellement dans l'intervalle de 8 à 12 kwh par kg d'hydrogène en comprenant l'énergie nécessaire à la transformation d'ortho hydrogène en para hydrogène. Les électrolyseurs permettent pour certains l'électrolyse sous pression permettant d'obtenir les gaz (hydrogène et oxygène) avec une pression jusqu'à 30 bars. Dans ce cas, les besoins énergétiques de l'installation de liquefaction, alimentée en hydrogène sous pression, peuvent etre réduits d'environ 3 kwh par kg d'hydrogène. Le transport de l'hydrogène liquide est déjà réalisé industriellement dans des pipelines ou avec des camions spécialisés. Le transport de l'hydrogène liquide (13) par bateau a fait l'objet de nombreuses études et est techniquement possible. Les capacités des navires peuvent atteindre celle des méthaniers actuels soit 10500 tonnes d'hydrogène liquide par navire. Les pertes par évaporation peuvent etre limitées à des valeurs inférieures à 0,06% par jour pour des réservoirs de grande capacité. A noter que cet hydrogène évaporé peut etre récupéré et soit re liquéfié à bord soit utilisé pour alimenter les organes de production d'énergie du navire. Une évaporation de 0,06% par jour pour un voyage de 30 jours correspond à une perte d'hydrogène de moins de 2%. L'hydrogène est ensuite re gazéifié dans une installation (17) ou l'énergie thermique nécessaire au rechauffement de l'hydrogène est fournie par échange avec de l'eau de mer. C'est ce procédé qui est actuellement utilisé pour la re gazéification du méthane liquide après son transport L'hydrogène gazeux est ensuite utilisé comme combustible dans des installations de production d'électricité (15) soit du type centrale à cycle combiné soit dans des piles à combustible. Sur la base d'une efficacité de 80% de l'électrolyseur, d'une consommation énergétique de 8kwh/m3 pour la liquefaction, d'une perte globale de 2% pour les opérations de transport et d'un rendement de production de 50% de l'énergie électrique, le rendement global du cycle depuis l'électricité stockée jusqu'à l'électricité restituée s'élève à 0.297. 0.8*((33-8)/33)*0.5*0.98 = 0,297 La figure 2 représente le cycle proposé selon la revendication 6 appliqué au stockage et au transport de l'électricité. Le même procédé pourrait bien sur etre appliqué à des cas ou l'hydrogène n'est pas produit à partir d'une source d'énergie électrique (le reformage d'hydrocarbures par exemple). L'hydrogène gazeux (22) est produit à partir d'électrolyse dans un électrolyseur (21) en utilisant l'énergie électrique (20) à stocker. L'hydrogène est ensuite liquéfié dans un procédé de liquefaction (50). Le transport de l'hydrogène liquide (23) est ensuite réalisé par pipelines, camions spécialisés ou navire ou tout autre moyen de transport adapté L'hydrogène est ensuite re gazéifié dans une installation de liquefaction d'air (24) ou l'hydrogène (23) est réchauffé par échange thermique avec l'air basse pression à liquéfier (27). L'air à liquéfier peut provenir de l'air ambiant. L'air à liquéfier(27) est refroidi à la fois par échange thermique avec l'hydrogène (23) mais également par échange thermique avec l'air liquide haute pression (51) pendant sa regazéification. L'air liquide basse pression (28) passe à travers une pompe (29) haute pression. Les échanges thermiques permettent la liquefaction de l'air avec ou sans apport de froid complémentaire par des cycles thermodynamiques suivant les quantités d'air à liquéfier. Après sa regazéification, l'air gazeux haute pression (52) alimente un cycle de production de l'électricité (26) utilisant l'hydrogène gazeux (25) comme combustible. Ce cycle de production d'électricité peut utiliser des machines de détente de l'air. La figure 3 représente un mode détaillé de réalisation de l'installation (24) L'air entrant (31) est comprimé dans 2 compresseurs (32) avec refroidissement à la température ambiante intermédiaire et final (33). L'air passe ensuite à travers une série d'échangeurs de chaleur (34) ou il est refroidi. Il est ensuite détendu dans un organe de détente isenthalpique (35). Une partie de l'air est liquide à la sortie de (35). Ur. séparateur (36) permet de séparer la partie liquide (37) qui est pompée à haute pression par la pompe (38). Cet air est regazéifié et réchauffé de façon isobare à travers les échangeurs de chaleur (34) A la sortie du dispositif, cet air gazeux haute pression (66) est utilisé dans un procédé de production d'énergie électrique. A la sortie du séparateur (36) la partie gazeuse de l'air (39) passe à travers les échangeurs de chaleur (34) ou elle est réchauffée. Elle alimente à la sortie des échangeurs en partie (60) le cycle d'entrée de l'air à pression intermédiaire et en partie (61) un cycle thermodynamique de compression (62), refroidissement (63) et détente (64) permettant la production de froid dans l'intervalle de température du premier échangeur de chaleur. A noter qu'un autre cycle thermodynamique a été représenté (détente (65)) afin de produire du froid dans l'intervalle de température du deuxième échangeur de chaleur. L'hydrogène liquide (67) est introduit dans la série des échangeurs de chaleur et apporte en complément le froid produit par sa regazéification et son rechauffement. Il sort du dispositif à l'état gazeux (68) et température ambiante pour etre utilisé comme combustible dans le procédé de production d'énergie électrique. Avec un apport d'énergie limité, on obtient de l'air à très haute pression (plusieurs centaines de bars) que l'on peut détendre en apportant l'énergie calorifique avant détente avec la combustion de l'hydrogène. Le train de détente peut être complété par un cycle vapeur (cycle combiné). Il est alors possible d'obtenir des rendements de l'ensemble de production d'énergie électrique supérieurs à 58% en améliorant donc largement le rendement du cycle de stockage de l'énergie qui passe de 29.7% à 34.4%. 20 REVENDICATIONS1. Méthode de stockage, de transport et de restitution de l'énergie électrique comprenant : - Produire de l'hydrogène gazeux à partir d'énergie électrique - Liquéfier cet hydrogène - Transporter cet hydrogène liquide - Utiliser le froid généré par le rechauffement de l'hydrogène après son transport et avant son utilisation comme combustible pour refroidir ou liquéfier de l'air utilisé pour produire de l'énergie électrique afin d'améliorer le rendement global du cycle de stockage depuis la production de l'électricité jusqu'à sa restitution - Utiliser l'hydrogène comme combustible pour produire de l'énergie électrique 2. Méthode selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'on utilise une ou des machines de détente de l'air pour produire de l'énergie électrique. 3. Méthode selon la revendication 2 caractérisée en ce que l'on utilise une ou des machines de compression de l'air pour produire de l'énergie électrique. 4. Méthode selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'on utilise une ou des piles à combustible pour produire de l'énergie électrique 5. Méthode selon la revendication 3 caractérisée en ce que le froid géneré par le rechauffement de l'hydrogène est utilisé pour refroidir l'air avant ou pendant sa compression dans la ou les machines de compression de l'air 6. Méthode selon les revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que l'on utilise le froid généré par le rechauffement de l'hydrogène pour liquéfier de l'air 7. Méthode selon la revendication 6 caractérisée en ce que l'air liquéfié est pompé à haute pression, puis réchauffé de façon isobare, le froid généré par son rechauffement étant utilisé pour refroidir l'air pendant sa liquefaction, et ensuite détendu dans la ou les machines de détente de l'air 8. Méthode selon la revendication 6 caractérisée en ce que après liquefaction de l'air l'oxygène et l'azote sont séparés pour etre utilisés séparément