Brevet FR3125540A1 — publié le 20230127

Procédé de production d’hydrogène et système de production d’hydrogène. Le procédé comprend les étapes suivantes, détermination (601) d’un besoin en hydrogène à une échéance prédéterminée, détermination (602) d’une quantité d’hydrogène à produire par un dispositif de production en fonction du besoin en hydrogène, détermination (603) d’un débit instantané de production d’hydrogène pour produire la quantité d’hydrogène avant l’échéance, ce débit instantané étant inférieur à un débit nominal du dispositif de production, et commande (604) du dispositif de production (102) pour produire l’hydrogène avec le débit de production. Figure pour l’abrégé : Figure 6 procédé et dispositif de production d’hydrogène DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne la production d’hydrogène, en particulier pour en augmenter l’efficacité. ETAT DE LA TECHNIQUE On connait des dispositifs de production d’hydrogène utilisant l’électrolyse de l’eau. Ils sont connus sous l’expression d’électrolyseurs. L’électrolyse de l’eau est un procédé qui décompose l'eau (H 2 O) en dioxygène et dihydrogène gazeux grâce à un courant électrique. Le dispositif comprend une cellule électrolytique comprenant deux électrodes immergées dans une électrolyte (généralement de l’eau) et connectées aux pôles opposés d’une source de courant continu. Les électrolyseurs connus, quelle que soit leur technologie, ont une variation de la tension entre les bornes des électrodes en fonction de la densité de courant aux bornes. Les électrolyseurs ont un point de fonctionnement nominal mais peuvent opérer dans une zone plus ou moins large. Plus précisément, et à titre d’exemple, les électrolyseurs alcalins peuvent fonctionner pour produire un débit d’hydrogène variant de 25% à 100% du débit produit au point nominal de fonctionnement de l’électrolyseur. La tension entre les bornes des électrodes baisse avec la densité de courant. Comme la densité de courant et la production d’hydrogène sont pratiquement proportionnelles selon la loi de Faraday, la réaction devient plus efficace quand la tension diminue, c’est-à-dire qu’il faut moins d’énergie électrique pour la transformation d’une quantité d’eau déterminée en hydrogène et en oxygène. Ce phénomène se déduit des courbes de tension en fonction de la densité de courant tel que représenté sur la . Les différentes courbes représentent les points de fonctionnement des cellules (couple tension, densité de courant) ; elles permettent de déduire l’efficacité de différents modèles d’électrolyseurs alcalins à différents points de fonctionnement en intensité, chacun ayant sa technologie et son mode d’assemblage propres. Sur la , on représente sur l’axe des abscisses la densité de courant en A/cm 2 aux bornes de l’électrolyseur et sur l’axe des ordonnées orienté de haut en bas l’efficacité énergétique de l’électrolyseur en pourcentage. Comme on peut le voir, plus la densité de courant baisse, plus l’efficacité énergétique augmente. L’intensité traversant l’électrolyte donne le débit de l’hydrogène produit par l’électrolyseur. En baissant l’intensité, on diminue le débit de l’hydrogène produit mais on augmente l’efficacité de l’électrolyseur. Cependant, on ne peut pas descendre trop bas en intensité, car sinon le gaz produit à chaque électrode ne comprend pas pour une des électrodes exclusivement de l’oxygène et pour l’autre exclusivement de l’hydrogène. La concentration d’hydrogène côté anode, mélangé à la production d’oxygène, peut donner lieu à un mélange explosif et dangereux. Des dispositifs automatiques de sécurité coupent l’alimentation électrique de l’électrolyseur sur une concentration de 1%-2% d’hydrogène dans l’oxygène produit. Cela limite à environ 25% le point bas de fonctionnement des électrolyseurs alcalins. Pour les électrolyseurs à membranes échangeuses de protons, cette limite est à environ 5%. L’article “Current status of water electrolysis for energy storage, grid balancing and sector coupling via power-to-gas and power-to-liquids: A review” de Alexander Buffler et Hartmut Spliethoffa et publié dans la revue “Renewable and Sustainable Energy Reviews” numéro 82 de 2018 en pages 2440 à 2454, décrit pour différents types d’électrolyseurs l’augmentation de l’efficacité de production lorsque la densité de courant aux bornes de l’électrolyseur baisse. Plus particulièrement, la de cette demande correspond à la figure en haut à gauche de la page 2446. Généralement les dispositifs de production d’hydrogène sont alimentés en électricité par un convertisseur alternatif/continu qui permet de transformer le courant alternatif fourni par le réseau de transport d’électricité en un courant continu nécessaire pour réaliser l’électrolyse de l’eau. Ce convertisseur présente une efficacité variant en fonction de la puissance du courant continu transformé. En particulier, certaines technologies de convertisseurs ont une efficacité qui s’améliore avec une diminution de la puissance (la variation d’intensité est le facteur dominant sur les variations de puissance, la tension variant peu en proportion). La représente l’efficacité théorique d’un convertisseur alternatif/continu en fonction du pourcentage de la puissance délivrée par rapport à la puissance maximale délivrable. Les procédés et dispositifs actuels ne prennent pas en compte ces différentes efficacités pour produire l’hydrogène de façon à augmenter voire maximiser l’efficacité du procédé. De plus, les besoins en hydrogène produit par électrolyse ont évolué par rapport aux besoins historiques. L’utilisation d’hydrogène pour la mobilité (notamment pour alimenter des flottes de véhicules, par exemple des voitures) peut engendrer de fortes variations au cours de l’année et la production doit pouvoir être adaptée en conséquence pour demeurer efficace comme précédemment décrit. On cherche donc à produire l’hydrogène plus efficacement. A cet effet on prévoit, selon l'invention, un procédé de production d’hydrogène comprenant les étapes suivantes : - détermination d’un besoin en hydrogène à une échéance prédéterminée, - détermination d’une quantité d’hydrogène à produire par un dispositif de production en fonction du besoin en hydrogène, - détermination d’un débit instantané de production d’hydrogène pour produire la quantité d’hydrogène avant l’échéance, ce débit instantané étant inférieur à un débit nominal du dispositif de production, et - commande du dispositif de production pour produire l’hydrogène avec le débit de production. Ce procédé permet d’améliorer le fonctionnement d'un dispositif de production d’hydrogène par électrolyse, en fonction de variations des besoins en hydrogène. Il permet en particulier d’améliorer l’efficacité de la production. Le procédé permet en effet de faire fonctionner le dispositif de production d’hydrogène avec un débit instantané inférieur au débit nominal i.e. de faire baisser son point de fonctionnement. Comme indiqué précédemment, l’utilisation d’un débit instantané inférieur au débit nominal permet d’augmenter l’efficacité du dispositif de production d’hydrogène. Plus particulièrement ceci permet d’augmenter l’efficacité de l’électrolyseur et du convertisseur alternatif continu. Le procédé est avantageux lorsque l’utilisation du débit nominal entrainerait la production de l’hydrogène avant l’échéance. Dans cette situation, il est avantageux de limiter le débit de production afin qu’il soit inférieur au débit nominal. Cela se produit, par exemple, lorsque le dispositif de production d’hydrogène est dimensionné pour un besoin de type pic de charge et que les conditions de ce pic ne sont pas réunies. Dans ce cas, le procédé de l’invention permet de diminuer le débit de production pour l’adapter au besoin. Cette diminution du débit permet d’abaisser le point de fonctionnement du dispositif de production d’hydrogène et donc d’augmenter son efficacité, tout en répondant aux besoins opérationnels. On appelle débit nominal le débit indiqué par le constructeur ou le concepteur de l’électrolyseur comme le débit de fonctionnement pour lequel l’électrolyseur est conçu. Il s’agit en général du débit le plus élevé pour lequel l’électrolyseur peut fonctionner de façon durable en conditions normales. Dans un mode de réalisation, le débit instantané est compris entre 95% et 5% du débit nominal, avantageusement entre 95% et 20% du débit nominal et encore plus avantageusement entre 95% et 25% du débit nominal. Dans un mode de réalisation, l’étape de détermination du besoin en hydrogène est réalisée à partir d’au moins une prévision d’utilisation d’un dispositif de consommation d'hydrogène. Dans un mode de réalisation l’étape de détermination du besoin en hydrogène est réalisée à partir en outre d’au moins une valeur d’une quantité d’hydrogène stockée dans le dispositif de consommation. Dans un mode de réalisation, l’étape de détermination de la quantité d’hydrogène à produire comprend une soustraction du besoin en hydrogène à une quantité d’hydrogène comprise dans un dispositif de stockage. Dans un mode de réalisation, on peut déplacer le dispositif de consommation d'hydrogène (105) indépendamment du dispositif de stockage. Dans un mode de réalisation du procédé, le dispositif de consommation est choisi dans le groupe comprenant : - un véhicule, tel qu’un camion, notamment de transport de marchandises ou d’ordures, un autobus, un train, un aéronef ou un navire, - un engin de travaux, - un engin de manutention, - une installation notamment de production de biens, par exemple de biocarburant, et/ou de fourniture de services. Dans un mode de réalisation l’étape de détermination du débit instantané comprend une détermination d’une durée entre un instant de début de production d’hydrogène et l’échéance et une division de la quantité d’hydrogène à produire par la durée. Dans un mode de réalisation, lorsque le débit instantané est inférieur à un seuil prédéterminé, on détermine que le débit instantané est égal au seuil. Dans un mode de réalisation l’étape de détermination 601 du besoin en hydrogène a une périodicité comprise entre 5 minutes et 60 minutes de préférence 15 minutes, l’étape de détermination 602 de la quantité d’hydrogène à produire a une périodicité comprise entre 5 minutes et 60 minutes de préférence 15 minutes, l’étape de détermination 603 d’un débit instantané de production d’hydrogène a une périodicité comprise entre 5 minutes et 60 minutes de préférence 15 minutes et/ou l’étape de de commande 604 du dispositif de production 102 a une périodicité comprise entre 5 minutes et 60 minutes de préférence 15 minutes. L’invention concerne également un système de production d’hydrogène. Ce système comprend un dispositif de production d’hydrogène et un dispositif de commande. Le dispositif de commande est configuré pour commander le dispositif de production, le dispositif de commande est configuré pour la mise œuvre du procédé de production d’hydrogène décrit précédemment. Dans un mode de réalisation, le système comprend au moins un dispositif de consommation configuré pour transmettre au dispositif de commande au moins une donnée d’estimation d’une prévision d’utilisation du dispositif de consommation. Dans un mode de réalisation le dispositif de consommation est configuré pour transmettre au dispositif de commande en outre une valeur d’une quantité d’hydrogène stockée dans le dispositif de consommation. Dans un mode de réalisation du système, le dispositif de consommation est choisi dans le groupe comprenant : - un véhicule, tel qu’un camion, notamment de transport de marchandises ou d’ordures, un autobus, un train, un aéronef ou un navire, - un engin de travaux, - un engin de manutention, - une installation notamment de production de biens, par exemple de biocarburant, et/ou de fourniture de services. L’invention concerne également un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution du procédé de production d’hydrogène décrit précédemment. DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit d’un mode de réalisation, qui est purement illustrative et non limitative et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : La représente l’efficacité du dispositif de production d’hydrogène en fonction de l’intensité alimentant ces électrodes. La représente l’efficacité du convertisseur alternatif continu en fonction du ratio entre la puissance du courant transformé et la puissance maximale atteignable. La représente un mode de réalisation du système de l’invention. La représente un mode de réalisation du système de l’invention, lorsque le dispositif de consommation est un véhicule de type automobile. La représente un mode de réalisation du système de l’invention, lorsque le dispositif de consommation est une installation. La représente le procédé de production de l’hydrogène de l’invention. Procédé de production d’hydrogène comprenant les étapes suivantes : - détermination (601) d’un besoin en hydrogène à une échéance prédéterminée, - détermination (602) d’une quantité d’hydrogène à produire par un dispositif de production en fonction du besoin en hydrogène, - détermination (603) d’un débit instantané de production d’hydrogène pour produire la quantité d’hydrogène avant l’échéance, ce débit instantané étant inférieur à un débit nominal du dispositif de production, et - commande (604) du dispositif de production (102) pour produire l’hydrogène avec le débit de production. Procédé de production d’hydrogène selon la revendication 1, le débit instantané étant compris entre 95% et 5% du débit nominal, avantageusement entre 95% et 20% du débit nominal, encore plus avantageusement entre 95% et 25% du débit nominal. Procédé de production d’hydrogène selon la revendication 1 ou 2, l’étape (601) de détermination du besoin en hydrogène étant réalisée à partir d’au moins une prévision d’utilisation d’un dispositif de consommation d'hydrogène (105). Procédé de production d’hydrogène selon la revendication 3, l’étape (601) de détermination du besoin en hydrogène étant réalisée à partir en outre d’au moins une valeur d’une quantité d’hydrogène stockée dans le dispositif de consommation (105). Procédé de production d’hydrogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape (602) de détermination de la quantité d’hydrogène à produire comprend une soustraction d’un besoin en hydrogène à une valeur d’une quantité d’hydrogène comprise dans un dispositif de stockage (104). Procédé de production d’hydrogène selon les revendications 3 et 5 dans lequel on peut déplacer le dispositif de consommation d'hydrogène (105) indépendamment du dispositif de stockage (104). Procédé de production d’hydrogène selon l’une des revendications 3 à 6, le dispositif de consommation (105) étant choisi dans le groupe comprenant : - un véhicule, tel qu’un camion, notamment de transport de marchandises ou d’ordures, un autobus, un train, un aéronef ou un navire, - un engin de travaux, - un engin de manutention, - une installation notamment de production de biens, par exemple de biocarburant, et/ou de fourniture de services. Procédé de production d’hydrogène selon l’une des revendications 1 à 7, l’étape (603) de détermination du débit instantané comprenant : - une détermination d’une durée entre un instant de début de production d’hydrogène et l’échéance, et - une division de la quantité d’hydrogène à produire par la durée. Procédé de production d’hydrogène selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel, lorsque le débit instantané est inférieur à un seuil prédéterminé, on détermine que le débit instantané est égal au seuil. Procédé de production d’hydrogène selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel : - l’étape de détermination (601) du besoin en hydrogène a une périodicité comprise entre 5 minutes et 60 minutes de préférence 15 minutes, - l’étape de détermination (602) de la quantité d’hydrogène à produire a une périodicité comprise entre 5 minutes et 60 minutes de préférence 15 minutes, - l’étape de détermination (603) d’un débit instantané de production d’hydrogène a une périodicité comprise entre 5 minutes et 60 minutes de préférence 15 minutes et/ou - l’étape de de commande (604) du dispositif de production (102) a une périodicité comprise entre 5 minutes et 20 minutes de préférence 15 minutes. Système (101) de production d’hydrogène comprenant un dispositif de production (102) d’hydrogène et un dispositif de commande (103), le dispositif de commande (103) étant configuré pour commander le dispositif de production (102) et pour la mise œuvre du procédé de production d’hydrogène selon l’une des revendications 1 à 9. Système (101) selon la revendication 11 comprenant au moins un dispositif de consommation (105) configuré pour transmettre au dispositif de commande (103) au moins une donnée d’estimation d’une prévision d’utilisation du dispositif de consommation. Système selon la revendication 12, le dispositif de consommation (105) étant configuré pour transmettre au dispositif de commande (103) en outre une valeur d’une quantité d’hydrogène stockée dans le dispositif de consommation (105). Système selon la revendication 13, le dispositif de consommation est choisi dans le groupe comprenant : - un véhicule, tel qu’un camion, notamment de transport de marchandises ou d’ordures, un autobus, un train, un aéronef ou un navire, - un engin de travaux, - un engin de manutention, - une installation notamment de production de biens, par exemple de biocarburant, et/ou de fourniture de services. Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code aptes à commander la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications 1 à 10 lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur.