Brevet FR3121937A1 — publié le 20221021

Procédé de stockage d'électricité variable et de coproduction d'hydrogène (H2) décarboné, et de l'énergie thermique décarbonée pouvant être convertis en énergie mécanique pour produire de l'énergie électrique et / ou de la chaleur, à partir d'une source d'électricité excédentaire décarbonée, permettant ainsi, d'apporter une solution à l'intermittence des systèmes de production d'électricité variable ou intermittente en les rendant pilotables, avec la possibilité de valoriser leur production électrique excédentaire, caractérisé en ce que l'énergie électrique est convertie en énergie chimique et stockée dans un composé solide carbochimique (CaC2), lequel carbure de calcium, formulé en granulés, sert à fabriquer de l'acétylène ( C2 H2 ) par addition d'eau et de l'hydroxyde de calcium (Ca(OH)2), lequel acétylène sert à coproduire, par décomposition thermique, en l'absence d'oxygène (O2), du noir d'acétylène, et de l'hydrogène (H2) . Procédé de stockage d'électricité variable La présente invention concerne un procédé de stockage d'électricité variable et de coproduction d'hydrogène (H2) décarboné et d'énergie thermique décarbonée, pouvant être convertis en énergie mécanique pour produire de l'énergie électrique à partir d'une source d'électricité excédentaire, telle qu'une électricité issue d'énergies renouvelables variables ( éolien et solaire photovoltaïque principalement ), et/ou en chaleur, et selon lequel, à partir d'une même quantité de vent ou de soleil, il permet de produire, en fonction de la demande, une quantité supérieure d'énergie électrique. L'hydrogène est actuellement considéré comme l'un des vecteurs énergétiques les plus prometteurs, notamment pour ses applications dans les domaines de l'énergie,des piles à combustibles et de la mobilité. Les technologies de production d'hydrogène ( H2 ) industriel à grande échelle repose principalement sur l'utilisation de ressources fossiles. De nos jours, le dihydrogène est majoritairement produit par vaporeformage de méthane, principal composant de gaz naturel.Or, ces procédés industriels émettent une quantité importante de gaz à effet de serre, et plus particulièrement du dioxyde de carbone ( CO2 ). La réaction chimique de reformage dégage environ 10 kg de CO2 par kilo d'hydrogène produit. Générer de l'hydrogène décarboné est techniquement possible grâce à l'électrolyse de l'eau, mais avec un rendement médiocre et des coûts élevés. L'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température(EHT) peut également être mise en œuvre, mais cette technologie est encore mal maîtrisée. L'intégration massive de sources d'énergie renouvelable variable ou intermittente (éolien, solaire photovoltaïque principalement) dans les systèmes électriques implique des périodes de plus en plus importantes durant lesquelles la production dépassera la demande. Les quantités mises en jeu pourront dépasser les capacités classiques de flexibilité et de stockage du système électrique. A mesure que les énergies renouvelables variables vont se développer, avec la fin programmée des subventions des états, certains effets de marché, aujourd'hui marginaux, vont s'étendre. Lorsqu'il y aura abondance d'énergies renouvelables, leur valorisation sur le réseau électrique sera faible, inversement en période d'intermittence, les prix élevés du marché de l'électricité ne permettront pas à ces moyens de production non flexibles de capter suffisamment de valeur pour compenser les périodes de rémunération faible. La conversion en un autre vecteur énergétique apparaît donc comme une solution pour valoriser ces excédents d'énergie électrique. Le but de la présente invention est donc de proposer un procédé alternatif de stockage d'électricité variable et de coproduction d'hydrogène ( H2 ), industriel et/ou énergie décarboné et de l'énergie thermique décarbonée pouvant être convertis en énergie mécanique pour produire de l'énergie électrique à partir d'une source d'électricité excédentaire, telle qu'une électricité issue d'énergies renouvelables (éolien et solaire photovoltaïque ), et/ou en chaleur pour du chauffage urbain, permettant ainsi la valorisation de leur production électrique excédentaire. Aujourd'hui, la stabilité des grands systèmes électriques interconnectés repose sur les rotors des alternateurs des centrales électriques thermiques (nucléaire et fossile) qui tournent de manière synchronisée à la même fréquence, établie nominativement à 50 hertz en Europe, ce qui n'est pas le cas des énergies renouvelables (éolien et solaire photovoltaïque ), du fait de leur variabilité ou leur intermittence. Palier la variabilité ou l'intermittence de ces moyens de production d'électricité en les rendant pilotables, c'est également l'objet de la présente invention. Ledit procédé est caractérisé en ce que l'énergie électrique, dans une première étape, alimente au moins un four électrique à haute température, de type four à aluminium par exemple, dans lequel le courant électrique, à fort ampérage, permet la formation d'un arc électrique initiant un milieu réactionnel en fusion de matière première composée de chaux vive ( anhydre ) comprenant au moins 95% d'oxyde de de calcium ( CaO ) et du coke ou du noir de carbone issu du procédé comprenant au moins 90% de carbone, préalablement préparés séparément et mélangés en quantité déterminée, pour produire du carbure de calcium(CaC2).Une fois la réaction effectuée, Le carbure de calcium, qui est à l'état liquide, est vidé puis refroidit. Il se solidifie.La masse ainsi obtenue est concassée et/ou broyée pour obtenir divers calibres selon les besoins de son utilisation. Le carbure de calcium est ensuite stocké in situ, sous atmosphère d'azote. Il peut être, en partie, conditionné pour être commercialisé. C'est un composé chimique stable et une source d'hydrocarbure qui constitue la matière première pour la production centralisée d'électricité et/ou d'énergie thermique, qui peu également être transporté et utilisé pour une production locale d'électricité et/ou d'énergie thermique. Dans cette première étape, l'énergie électrique a été convertie en énergie chimique et stockée dans un composé carbochimique (CaC2). Avantageusement, ce moyen de stockage permet de décorréler dans le temps production et consommation d'électricité. Il offre des solutions de flexibilité à tous les horizons temporels ( journalier, hebdomadaire, mensuel et même inter-saisonnier et interannuel ). En effet, une électricité produite pendant une période favorable peut être stockée selon le procédé et n'être convertie en électricité qu'en fonction de la demande en électricité. Le procédé de fabrication du carbure de calcium est un procédé énergivore. Pouvoir disposer d'une énergie électrique excédentaire, à faible coût, voire à un coût négatif, sinon l'électricité est perdue, permet d'obtenir du carbure de calcium et de l'acétylène à des coûts concurrentiels. Dans une deuxième étape, le carbure de calcium, sous forme de granulés, sert à fabriquer dans un générateur de l'acétylène ( C2H2 ) par addition d'eau, et de l'hydroxyde de calcium(ou chaux éteinte), qui est ensuite déshydraté puis stocké pour être ultérieurement conditionné pour être commercialisé. L'acétylène produit est stocké, dissous dans l'acétone ou le diméthylformamide ( DMF ) eux mêmes inclus dans une matière poreuse stabilisatrice, dans un contenant ou des contenants approprié (s) et sécurisé (s). L'acétylène utile à la coproduction de noir d'acétylène et d'hydrogène décarboné, tel que c'est décrit dans les étapes suivantes, peut être prélevé de ce stock permanent d'acétylène. Ce stock constitue également une réserve opérationnelle d'équilibrage pouvant répondre aux variations de la demande en électricité, aux aléas du réseau électrique et aux aléas climatiques. Dans une troisième étape, dans un réacteur fermé, horizontal ou vertical, on procède à la décomposition thermique de l'acétylène en l'absence d'oxygène (O2). Après une phase de préchauffage du réacteur par la combustion de l'acétylène, l'arrivée d'air est arrêtée et la réaction est initiée. Il y a formation de noir d'acétylène et de produits gazeux constitués d'hydrogène, et en plus faible quantité, d'éthylène et de méthane. La réaction auto-entretenue continue jusqu'à ce que l'alimentation en acétylène soit arrêtée. Les conditions de réaction, avec une température de l'ordre de 700°C à 3200°C, et l'hydrocarbure utilisé tel que l'acétylène, confèrent au noir d'acétylène des propriétés uniques : une grande pureté et un haut degré d'organisation micro structurale. Dans le domaine des noirs de carbone, les noirs d'acétylène constituent des produits bien spécifiques, à forte valeur ajoutée et réservés à des applications très particulières, de part leur caractère conducteur marqué. Cette opération de décomposition thermique de l'acétylène dilué par l'azote peut également être réalisée dans un réacteur tubulaire en régime dynamique entre 700°C et 1250°C. L'acétylène est thermodynamiquement instable. Il se décompose en hydrogène ( H2 ) et en carbone au cours d'une réaction très exothermique. En sortie du réacteur, en bas de celui-ci, les produits de cette réaction, ont une température très élevée. Ils sont orientés vers un ou des échangeur (s) thermique (s), par exemple de type tubulaire, permettant de chauffer l'eau circulant dans des tubes pour produire de la vapeur qui, mise sous pression, assurera la production d'électricité dans une centrale électrique thermique à vapeur. Une partie de l'électricité décarbonée coproduite est injectée sur le réseau électrique en fonction de la demande en électricité, tandis qu'une autre partie est utilisée dans le procédé en première étape par exemple, et/ou pour conditionner l'hydrogène coproduit. La chaleur résiduelle de ce flux pourra servir également à la déshydratation de l'hydroxyde de calcium coproduit dans la deuxième étape. Dans cette dernière étape, Le flux d'hydrogène ( H2 ) et de noir d'acétylène issu de la réaction de décomposition thermique de l'acétylène, subit une trempe dans un dispositif dédié par injection d'un gaz neutre froid, tel que de l'azote, par exemple. Ainsi >, ledit flux est orienté vers un autre dispositif de refroidissement, par circuit de circulation d'eau froide par exemple, pour abaisser sa température à moins de 60°C. Il est dirigé vers un séparateur gaz-solide duquel est récupéré le noir d'acétylène qui est ensuite stocké et conditionné pour être commercialisé en partie ou en totalité.La partie de noir de carbone stockée in situ peut être utilisée en première étape comme matière première en remplacement du coke, par exemple. Le flux enrichi en hydrogène (H2) décarboné subit une dernière opération de séparation dans une unité d'adsorption pour le séparer de l'azote et éliminer les impuretés et les polluants résiduels afin d'obtenir un produit répondant aux besoins de l'utilisateur. L'hydrogène(H2) est récupéré puis stocké sous pression dans un dispositif approprié et sécurisé. Une partie de cette production pourra être commercialisée éventuellement, tandis qu' une autre partie est utilisée comme combustible pour alimenter la turbine à combustion d'une centrale thermique à flamme à cycle combiné pour produire de l'électricité qui est injectée sur le réseau électrique selon la demande. Dans l'hypothèse d'une production délocalisée d'électricité, le carbure de calcium ( CaC2 ) est transporté et hydrolysé localement pour fabriquer de l'acétylène qui servira de matière première pour la coproduction de noir d'acétylène, d'hydrogène décarboné et de l'énergie thermique pouvant être convertis en énergie mécanique pour produire de l'énergie électrique dans une centrale thermique à vapeur et dans une centrale électrique à flamme à cycle combiné et/ou de la chaleur pour des réseaux urbains de chauffage. En effet, dans divers pays, les systèmes de production d'électricité renouvelable variable sont, bien souvent, situés dans des régions très éloignées des zones à forte densité de population qui concentrent les activités économiques et industrielles. Cela implique l'installation de lignes à haute tension sur de vastes territoires, une affaire coûteuse et chronophage qui a une répercussion sur le prix définitif de l' électricité. Il peut être plus avantageux, sur le plan économique, de faire appel au transport ferroviaire et/ou au transport routier pour acheminer le carbure de calcium vers les principales zones urbaines pour produire localement de l'électricité. Comme dans les unités de production électrique centralisée décrite précédemment, chaque site de production localisée disposera d'un stock permanent de carbure de calcium constituant une réserve opérationnelle pouvant répondre aux variations de la demande en électricité, aux aléas du réseau électrique ainsi qu'aux aléas climatiques. Le procédé comporte quatre étapes qui peuvent être réalisées successivement en continu, mais elles peuvent aussi être mises en œuvre séparément et indépendamment l'une de l'autre, sauf pour les deux dernières étapes. Dans ce cas, le procédé est discontinu. Dans le cadre d'applications industrielles, l'économie du procédé est corrélée à la production de la chaîne de valeurs suivante. Le carbure de calcium, sous forme de poudre, est couramment utilisé dans l'industrie métallurgique dans le processus d'élaboration des aciers. Sous forme de granulés, il sert à fabriquer de l'acétylène pour la soudure et l'oxycoupage dans l'industrie des gaz industriels. L'hydroxyde de calcium est utilisé dans le traitement des aciers, et associé à de l'hydroxyde de sodium, il sert à l'élimination du CO2 dans différentes applications et dans des dispositifs médicaux de respiration humaine. L'hydroxyde de calcium peut contribuer à la lutte contre le réchauffement climatique pour le traitement du dioxyde de carbone ( CO2 ) absorbé par les mers et les océans. Le noir d'acétylène est principalement utilisé dans les piles électriques salines, dans le domaine électronique, mais également dans la câblerie pour la fabrication de câbles souterrains de haut voltage. L'hydrogène est un gaz industriel et un vecteur d'énergies propres . L'électricité décarbonée répond parfaitement aux enjeux environnementaux actuels. La présente invention concerne également une installation pour la mise en œuvre dudit procédé Procédé de stockage d'électricité variable et de coproduction d'hydrogène (H2) et d'énergie thermique décarbonés à partir d'une source d'électricité excédentaire telle qu' une électricité provenant d'énergies renouvelables variables ( éolien, solaire photovoltaïque principalement ), et selon lequel, à partir d'une même quantité de vent ou de soleil, il permet de produire, en fonction de la demande, une quantité supérieure d'énergie électrique, caractérisé en ce que l'énergie électrique alimente au moins un four électrique à haute température dans lequel le courant électrique, à fort ampérage, permet la formation d'un arc électrique initiant un milieu réactionnel en fusion de matière première composée de chaux vive ( anhydre ) comprenant au moins 95% d'oxyde de calcium ( CaO ) et du coke comprenant au moins 90% de carbone, ou du noir de carbone issu du procédé, préalablement, préparés séparément puis mélangés en quantité déterminée, pour produire du carbure de calcium(CaC2), composé solide carbochimique stable, source d'hydrocarbure, qui stocke l'énergie électrique convertie en énergie chimique, en ce que ledit carbure de calcium, formulé en granulés, sert à fabriquer dans un générateur de l'acétylène ( C2H2 ) par addition d'eau et de l'hydroxyde de calcium (Ca(OH)2), en ce que ledit acétylène sert à coproduire par décomposition thermique, en l'absence d'oxygène, du noir d'acétylène, et de l'hydrogène (H2) décarboné, et de l'énergie thermique pouvant être convertis en énergie mécanique pour produire de l'énergie électrique décarbonée, et/ou de la chaleur Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noir d'acétylène et l'hydrogène (H2) produits par la décomposition thermique de l'acétylène sont orientés vers un ou des échangeur (s) thermique (s), de type tubulaire, par exemple, permettant de chauffer l'eau circulant dans des tubes pour produire de la vapeur qui, mise sous pression, assurera la production d'électricité dans une centrale électrique thermique à vapeur, et sont, ensuite, > avec de l'azote froid, puis orientés vers un dispositif de filtration qui précède un système de refroidissement et un dispositif de séparation gaz-solide duquel est récupéré le noir d'acétylène, lequel dispositif de séparation est situé en amont d'une unité d'adsorption dans laquelle, l'hydrogène subit un dernier traitement avant sa récupération et son conditionnement. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la décomposition thermique de l'acétylène est réalisée dans un réacteur fermé, horizontal ou vertical, en l'absence d'oxygène ( O2 ) et en ce qu'après une phase de préchauffage du réacteur par la combustion de l'acétylène, l'arrivée d'air est arrêtée, et la réaction est initiée. Il y a formation de noir d'acétylène et de l'hydrogène ( H2 ) et en ce que ladite réaction exothermique auto-entretenue continue jusqu'à ce que l'alimentation en acétylène soit arrêtée. Procédé selon les revendications 1,2 et 3, caractérisé en ce que l'opération de décomposition thermique de l'acétylène dilué par l'azote est réalisée dans un réacteur tubulaire en régime dynamique entre 700°C et 1250°C. Procédé selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'hydrogène ( H2 ) coproduit est stocké sous pression dans des dispositifs appropriés et sécurisés, dont une partie est destinée à être commercialisée, tandis qu'une autre partie est utilisée comme combustible pour alimenter la turbine à combustion d'une centrale électrique thermique à flamme à cycle combiné pour produire de l'électricité qui est injectée sur le réseau électrique selon la demande. Procédé selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'acétylène coproduit est en partie stocké in situ et constitue une réserve opérationnelle d'équilibrage permettant de répondre aux variations de la demande en électricité, aux aléas du réseau électrique et aux aléas climatiques. Procédé selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'électricité est produite, en fonction de la demande, au moyen d'installations de production d'électricité pilotables. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la chaleur résiduelle des produits de la décomposition thermique de l'acétylène est utilisée pour déshydrater l'hydroxyde de calcium coproduit en première étape. Procédé selon les revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il peut être mis en œuvre en continu ou en discontinu. Installation de stockage d'électricité variable et de coproduction d'hydrogène ( H2 ) industriel, et / ou énergie, et de l'énergie thermique décarbonés, caractérisée en ce qu'elle permet la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.