Brevet FR3126128A1 — publié le 20230217

Titre de l’invention : Système d’électrolyseur haute température optimisé par couplage à une pompe à chaleur et circuit intermédiaire L’invention concerne un système comprenant un électrolyseur (1) EHT, une première ligne d'alimentation (2) en vapeur d'eau, une première ligne d'évacuation (4) du dihydrogène, une deuxième ligne d'évacuation (3) du dioxygène, un premier module d'échange thermique (5), un générateur de vapeur (6) agencé sur la première ligne d'alimentation (2), caractérisé en ce que le système comprend un module de récupération de l'énergie thermique du dihydrogène au profit de la première ligne d'alimentation (2) qui comprend une pompe à chaleur et un circuit intermédiaire comprenant un premier échangeur intermédiaire (7) agencé sur la première ligne d'évacuation (2) et configuré pour transférer l'énergie thermique du dihydrogène à un fluide intermédiaire, et un circuit fluidique intermédiaire (32) configuré pour recevoir un fluide intermédiaire et assurer la connexion fluidique entre l'échangeur intermédiaire (7) et la pompe à chaleur. Elle trouve pour application particulièrement pour optimiser la consommation énergétique d'un système électrolyseur SOEC. Figure pour l’abrégé : Fig.1 Système d’électrolyseur haute température optimisé par couplage à une pompe à chaleur et circuit intermédiaire La présente invention concerne le domaine des piles à combustible à oxydes solides (SOFC, acronyme anglais pour « Solid Oxide Fuel Cell ») et celui de l'électrolyse de l'eau à haute température (EHT, ou EVHT pour électrolyse de la vapeur d'eau à haute température, ou HTE acronyme anglais pour High Temperature Electrolysis, ou encore HTSE acronyme anglais pour High Temperature Steam Electrolysis), également à oxyde solide (SOEC, acronyme anglais pour « Solid Oxide Electrolyte Cell »). Elle trouve pour application particulièrement pour optimiser la consommation énergétique d'un système électrolyseur SOEC. ETAT DE LA TECHNIQUE L'électrolyse de l'eau est une réaction électrolytique qui décompose l'eau en dioxygène et dihydrogène gazeux avec l'aide d'un courant électrique selon la réaction : H2O --> H2 + 1/2 O2. Pour réaliser l'électrolyse de l'eau, il est avantageux de la réaliser à haute température typiquement entre 600 et 950 °C, car une partie de l'énergie nécessaire à la réaction peut être apportée par la chaleur qui est moins chère que l'électricité et l'activation de la réaction est plus efficace à haute température et ne nécessite pas de catalyseur. Une cellule d'électrolyse à oxydes solides ou « SOEC » (acronyme anglo-saxon « Solid Oxide Electrolyte Cell ») comprend notamment : - une première électrode conductrice poreuse, ou « cathode », destinée à être alimentée en vapeur d'eau pour la production de dihydrogène, - une seconde électrode conductrice poreuse, ou « anode », par laquelle s'échappe le dioxygène produit par l'électrolyse de l'eau injectée sur la cathode, et - une membrane à oxyde solide (électrolyte dense) prise en sandwich entre la cathode et l'anode, la membrane étant conductrice anionique pour de hautes températures, usuellement des températures supérieures à 600 °C. En chauffant la cellule au moins à cette température et en injectant un courant électrique I entre la cathode et l'anode, il se produit alors une réduction de l'eau sur la cathode, ce qui génère du dihydrogène (H2) au niveau de la cathode et du dioxygène au niveau de l'anode. Pour mettre en œuvre l'électrolyse à haute température, il est connu d'utiliser un électrolyseur de type SOEC constitué d'un empilement de motifs élémentaires comportant chacun une cellule d'électrolyse à oxydes solides, constituée de trois couches anode/électrolyte/cathode superposées l'une sur l'autre, et de plaques d'interconnexion en alliages métalliques aussi appelées plaques bipolaires, ou interconnecteurs. Les interconnecteurs ont pour fonction d'assurer à la fois le passage du courant électrique et la circulation des gaz au voisinage de chaque cellule (vapeur d'eau injectée, hydrogène et oxygène extrait dans un électrolyseur EHT ; air et hydrogène injectés et eau extraite dans une pile SOFC) et de séparer les compartiments anodiques et cathodiques qui sont les compartiments de circulation des gaz du côté respectivement des anodes et des cathodes des cellules. Pour réaliser l'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température EHT, on injecte de la vapeur d'eau H2O dans le compartiment cathodique. Sous l'effet du courant appliqué à la cellule, la dissociation des molécules d'eau sous forme vapeur est réalisée à l'interface entre l'électrode à hydrogène (cathode) et l'électrolyte : cette dissociation produit du gaz dihydrogène H2 et des ions oxygène. Le dihydrogène est collecté et évacué en sortie de compartiment à hydrogène. Les ions oxygène migrent à travers l'électrolyte et se recombinent en dioxygène O2 à l'interface entre l'électrolyte et l'électrode à oxygène (anode). Pour la mise en œuvre effective de l'électrolyse par l'empilement, l'empilement est porté à une température supérieure à 600 °C, usuellement une température comprise entre 600 °C et 950 °C, l'alimentation en gaz est mise en marche à débit constant et une source d'alimentation électrique est branchée entre deux bornes de l'empilement afin d'y faire circuler le courant I. Le rendement de la transformation de l'électricité en hydrogène est un point clé afin d’assurer la compétitivité de la technologie. La consommation électrique a principalement lieu lors de la réaction d’électrolyse à proprement parler, mais près de 30 % de la consommation de l’électrolyseur provient du système de gestion thermique/hydraulique des fluides. C'est-à-dire l'architecture externe à l'électrolyseur et la gestion des fluides et de l'énergie thermique dans cette architecture. L’évaporation de l’eau utilisée dans l’électrolyseur est la consommation d’énergie la plus importante de ce système de gestion thermique/hydraulique. Classiquement, cette fonction est assurée par un générateur de vapeur électrique qui consomme 20 % de la consommation globale de l’électrolyseur. Par ailleurs, en général une partie importante d’énergie est rejetée dans l'environnement ambiant. Par exemple, durant la phase d’assèchement de l’hydrogène et de sa compression il est nécessaire de fortement refroidir ce mélange afin de permettre la condensation de l’eau présente dans le mélange eau/hydrogène. Cette condensation s’effectue très majoritairement à une température inférieure à la température d'évaporation de l’eau en entrée de l'électrolyseur, ce qui fait qu’une très faible part de cette énergie de condensation est utilisable. Il existe donc un besoin de minimiser cette consommation en optimisant l’architecture et la gestion des fluides du système de l'électrolyseur. Un objet de la présente invention est donc de proposer un système d’électrolyseur haute température optimisé par un couplage avec une pompe à chaleur et un circuit intermédiaire. Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. RESUME Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit un système comprenant un électrolyseur à haute température (EHT), une première ligne d'alimentation de l'électrolyseur configurée pour alimenter l'électrolyseur en vapeur d'eau, une première ligne d'évacuation de l'électrolyseur configurée pour évacuer depuis l'électrolyseur du dihydrogène, une deuxième ligne d'évacuation de l'électrolyseur configurée pour évacuer depuis l'électrolyseur du dioxygène, un premier module d'échange thermique configuré pour assurer un échange thermique entre la première ligne d'alimentation en vapeur d'eau et la première ligne d'évacuation du dihydrogène, un générateur de vapeur agencé sur la première ligne d'alimentation en vapeur d'eau, en amont du premier module d'échange thermique , et configuré pour produire de la vapeur d'eau à partir d'eau liquide, caractérisé en ce que le système comprend un module de récupération de l'énergie thermique du dihydrogène en sortie du premier module d'échange thermique au profit de la première ligne d'alimentation en vapeur d'eau, le module de récupération comprenant une pompe à chaleur et un circuit intermédiaire, le circuit intermédiaire comprenant un premier échangeur intermédiaire agencé sur la première ligne d'évacuation en aval du premier module d'échange thermique et configuré pour transférer l'énergie thermique du dihydrogène à un fluide intermédiaire, et un circuit fluidique intermédiaire configuré pour recevoir un fluide intermédiaire et assurer la connexion fluidique entre l'échangeur intermédiaire et la pompe à chaleur, la pompe à chaleur comprenant un circuit fluidique configuré pour recevoir un fluide caloporteur, un évaporateur agencé sur le circuit fluidique intermédiaire en aval de l'échangeur intermédiaire et configuré pour transférer l'énergie thermique du fluide intermédiaire au fluide caloporteur, un compresseur configuré pour comprimer le fluide caloporteur, un condenseur agencé sur la première ligne d'alimentation en vapeur d'eau en amont du générateur de vapeur et configuré pour transférer l'énergie thermique du fluide caloporteur à l'eau liquide, un détendeur configuré pour détendre le fluide caloporteur, le circuit fluidique étant configuré pour connecter fluidiquement l'évaporateur au compresseur , le compresseur au condenseur , le condenseur au détendeur et le détendeur à l'évaporateur . Cette disposition permet de récupérer les calories du dihydrogène produit par l'électrolyseur au profit de la production de vapeur d'eau. Par le présent système, le module de récupération permet à la fois le refroidissement du dihydrogène et une production de vapeur. Ainsi, la consommation électrique du système est fortement réduite. Ainsi, le système utilise la chaleur du dihydrogène en sortie de l'électrolyseur, mais préférentiellement après le premier module d'échange thermique de sorte que le rejet thermique du dihydrogène soit exploité à plus basse température via un système actif d'une pompe à chaleur. Les calories récupérées du dihydrogène sont réinjectées à une température supérieure à la température d'évaporation de l'eau en amont du générateur de vapeur à l'eau liquide. La pompe à chaleur ainsi disposée permet de fonctionner avec un rendement intéressant du fait de la faible différence de température entre la température d’évaporation de l’eau dans le générateur de vapeur et la température du fluide intermédiaire dans l'évaporateur. Avantageusement, l'utilisation d'un circuit intermédiaire entre la première ligne d'évacuation de dihydrogène et la pompe à chaleur, plus précisément l'évaporateur de la pompe à chaleur, permet d'avoir une pompe à chaleur haute température déportée comprenant un évaporateur et non pas un évapo-condensateur entre la ligne d'évacuation du dihydrogène dans laquelle circule de l'eau et du dihydrogène face à un fluide caloporteur de la pompe à chaleur. Un tel évapo-condensateur est complexe à fabriquer. Le circuit intermédiaire présente une grande modularité du module de récupération, car il permet également d'envisager de récupérer les calories à d'autres endroits du système tel que par exemple en aval sur la ligne d'évacuation du dihydrogène ou bien encore sur la ligne d'évacuation du dioxygène et cela sans compliquer la structure de la pompe à chaleur. Le système permet ainsi de réduire la consommation électrique du système en augmentant la puissance thermique prélevée. De plus, cette disposition permet d'utiliser un fluide caloporteur inflammable ou comburant sans risque puisque le circuit intermédiaire évite le contact avec le dihydrogène et éventuellement avec le dioxygène. Le système selon l'invention présente un rendement global amélioré de 3% par rapport à une configuration classique. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels : La est un schéma fonctionnel représentant le système selon l’invention. La représente un schéma fonctionnel représentant le circuit intermédiaire. Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. Système comprenant un électrolyseur (1) à haute température (EHT), une première ligne d'alimentation (2) de l'électrolyseur configurée pour alimenter l'électrolyseur (1) en vapeur d'eau, une première ligne d'évacuation (4) de l'électrolyseur configurée pour évacuer depuis l'électrolyseur (1) du dihydrogène, une deuxième ligne d'évacuation (3) de l'électrolyseur configurée pour évacuer depuis l'électrolyseur (1) du dioxygène, un premier module d'échange thermique (5) configuré pour assurer un échange thermique entre la première ligne d'alimentation (2) en vapeur d'eau et la première ligne d'évacuation (4) du dihydrogène, un générateur de vapeur (6) agencé sur la première ligne d'alimentation (2) en vapeur d'eau, en amont du premier module d'échange thermique (5), et configuré pour produire de la vapeur d'eau à partir d'eau liquide, caractérisé en ce que le système comprend un module de récupération de l'énergie thermique du dihydrogène en sortie du premier module d'échange thermique (5) au profit de la première ligne d'alimentation (2) en vapeur d'eau, le module de récupération comprenant une pompe à chaleur et un circuit intermédiaire, le circuit intermédiaire comprenant un premier échangeur intermédiaire (7) agencé sur la première ligne d'évacuation (2) en aval du premier module d'échange thermique (5) et configuré pour transférer l'énergie thermique du dihydrogène à un fluide intermédiaire, et un circuit fluidique intermédiaire (32) configuré pour recevoir un fluide intermédiaire et assurer la connexion fluidique entre l'échangeur intermédiaire (7) et la pompe à chaleur, la pompe à chaleur comprenant un circuit fluidique (27) configuré pour recevoir un fluide caloporteur, un évaporateur (25) agencé sur le circuit fluidique intermédiaire (32) en aval de l'échangeur intermédiaire (7) et configuré pour transférer l'énergie thermique du fluide intermédiaire au fluide caloporteur, un compresseur (26) configuré pour comprimer le fluide caloporteur, un condenseur (23) agencé sur la première ligne d'alimentation (2) en vapeur d'eau en amont du générateur de vapeur (6) et configuré pour transférer l'énergie thermique du fluide caloporteur à l'eau liquide, un détendeur (24) configuré pour détendre le fluide caloporteur, le circuit fluidique (27) étant configuré pour connecter fluidiquement l'évaporateur (25) au compresseur (26), le compresseur (26) au condenseur (23), le condenseur (23) au détendeur (24) et le détendeur (24) à l'évaporateur (25). Système selon la revendication précédente dans lequel le générateur de vapeur (6) est un échangeur thermique agencé également sur la première ligne d'évacuation (4) du dihydrogène, le premier générateur de vapeur (6) étant agencé en amont du premier échangeur intermédiaire (7) relativement à la première ligne d'évacuation (4) du dihydrogène. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un deuxième échangeur intermédiaire (12) agencé sur la première ligne d'évacuation (4) du dihydrogène en aval du premier échangeur intermédiaire (7) et en parallèle du premier échangeur intermédiaire (7) sur le circuit fluidique intermédiaire (32) configuré pour transférer l'énergie thermique du dihydrogène au fluide intermédiaire. Système selon la revendication précédente comprenant un troisième échangeur intermédiaire (15) agencé sur la première ligne d'évacuation (4) du dihydrogène en aval du deuxième échangeur intermédiaire (12) et en parallèle du premier échangeur intermédiaire (7) et du deuxième échangeur thermique (12) sur le circuit fluidique intermédiaire (32) configuré pour transférer l'énergie thermique du dihydrogène au fluide intermédiaire. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant une deuxième ligne d'alimentation (10) de l'électrolyseur configuré pour alimenter l'électrolyseur (1) en air. Système selon la revendication précédente comprenant un deuxième module d'échange thermique (11) configuré pour assurer un échange thermique entre la deuxième ligne d'alimentation (10) en air et la deuxième ligne d'évacuation (3) du dioxygène. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant un échangeur thermique (9) agencé entre la deuxième ligne d'évacuation du dioxygène (10) et la première ligne d'alimentation (2) en vapeur d'eau, en amont du condenseur (23), de sorte à transmettre l'énergie thermique du dioxygène à l'eau liquide en aval du condenseur (23). Système selon la revendication précédente comprenant un quatrième échangeur intermédiaire (29) agencé sur la deuxième ligne d'évacuation du dioxygène (10) en aval du premier échangeur thermique (9) et en parallèle du premier échangeur intermédiaire (7) sur le circuit fluidique intermédiaire (32) configuré pour transférer l'énergie thermique du dioxygène au fluide intermédiaire. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant un générateur électrique de vapeur agencé sur la première ligne d'alimentation en eau (2) en aval du condenseur (23) et en amont du premier module d'échange thermique (5) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le premier échangeur intermédiaire et le deuxième échangeur thermique et/ou le troisième échangeur thermique et/ou le quatrième échangeur thermique sont agencés en parallèle sur le circuit fluidique intermédiaire (32).