Brevet FR3132603A1 — publié le 20230811

L’installation (100) de production d’hydrogène comprend : - un champ (4) de panneaux photovoltaïques (6) ; et - au moins un électrolyseur (8) se trouvant dans le champ et configuré pour produire de l’hydrogène et pour être alimenté en courant électrique par les panneaux photovoltaïques. Figure pour l’abrégé : Fig.1 Installation de production d’hydrogène comprenant des panneaux photovoltaïques DOMAINE DE L’INVENTION L'invention concerne la production d’hydrogène au moyen d’électrolyseurs alimentés en courant électrique par des panneaux photovoltaïques. ETAT DE LA TECHNIQUE Il est connu de produire de l'hydrogène par électrolyse de l’eau au moyen d’électrolyseurs alimentés en courant par des panneaux photovoltaïques. Il s’agit d’un des moyens de production d’hydrogène dit « vert » compte tenu de l’utilisation d’une source d’énergie renouvelable pour la fourniture du courant électrique. Les champs photovoltaïques sont connectés à un réseau de transport d’électricité, auquel sont par ailleurs connectés les électrolyseurs produisant l’hydrogène. Le passage d’une électricité en courant continu au niveau des panneaux à une électricité en courant alternatif (transformation, réseau) conduit à l’utilisation d'équipements d’électronique de puissance tels que des onduleurs (DC/AC). Or le prix de revient de cet hydrogène vert est élevé. On cherche aujourd’hui à l'abaisser pour arriver à un niveau situé entre 1,5 et 2,5 €/kg. Pour cela, on cherche à réduire le coût des investissements nécessaires qui constituent une part majoritaire dans le calcul du prix de l’hydrogène et également à améliorer l’efficacité du système global. Un but de l’invention est donc de réduire le coût de production de l’hydrogène. A cet effet, on prévoit selon l'invention une installation de production d’hydrogène comprenant : - un champ de panneaux photovoltaïques ; et - au moins un électrolyseur se trouvant dans le champ et configuré pour produire de l’hydrogène et pour être alimenté en courant électrique par les panneaux photovoltaïques. Ainsi, grâce à la distance réduite entre l’électrolyseur et les panneaux, on réalise une forte intégration du système photovoltaïque et du système d'électrolyse et on obtient des gains de coût significatifs. Notamment, l’invention permet de réduire les longueurs des câbles électriques. On obtient également une meilleure efficacité en réduisant les pertes par effet Joule à section égale de cuivre L’invention permet notamment le développement de giga champs photovoltaïques alimentant des électrolyseurs afin de produire de l’hydrogène vert (par exemple plusieurs centaines de tonnes par jour) pour répondre à une demande d’industries locales voulant se décarboner, notamment des aciéries. Ces développements sont conditionnés par exemple à un prix de l'hydrogène cible à 1,5 euros par kilo environ. L’invention permet d’atteindre une cible aussi ambitieuse. Côté électrolyse, les fournisseurs d’électrolyseurs envisagent des puissances unitaires allant jusqu'à dix mégawatts de puissance à moyen terme. L'invention permet un effet d'échelle sur les systèmes connexes à l’électrolyseur (appelés Balance of plant (BOP) en anglais). En amont, il s'agit de l'alimentation électrique et de l'alimentation en eau déminée. En aval, il s'agit des traitements de l'hydrogène comme la déshydratation, la désoxygénation et la compression, et également des fonctions telles que le système de refroidissement des électrolyseurs. L’invention est notamment applicable pour la conversion de champs photovoltaïques existants dont le contrat de rachat d'électricité arrive à échéance et doit être renégocié. Par exemple, une production d'hydrogène centralisée en vue de pourvoir un besoin en mobilité propre avec des stations de chargement associées pourrait s'avérer économiquement plus intéressante que de vendre des kilowattheures sur le réseau en compétition avec d'autres fournisseurs d'énergie cherchant à l’écouler au même moment, pour peu qu’ils aient eux aussi de l'énergie photovoltaïque. L’invention trouve à s’appliquer dans des zones à fort ensoleillement, par exemple au nord de l’Espagne. Elle concerne des puissances d’électrolyse pouvant aller de 5 MW à plusieurs centaines. Dans le cadre de l’invention, un ou plusieurs électrolyseurs se trouvent dans le champ mais il est possible que l’installation comprenne aussi un ou plusieurs autres électrolyseurs reliés aux panneaux et situés hors du champ. Ils seront alors par exemple situés à une distance de ce dernier inférieur à une plus grande dimension du champ. On peut prévoir que le ou chaque électrolyseur se trouve dans une zone centrale du champ. Cette zone représente par exemple 50%, 25% ou 10% de la superficie du champ. Avantageusement, l’installation comprend au moins un premier électrolyseur et un deuxième électrolyseur, l’installation étant configurée de sorte que : - le premier électrolyseur est alimenté en courant électrique par un premier groupe des panneaux photovoltaïques et - le deuxième électrolyseur est alimenté en courant électrique par un deuxième groupe des panneaux photovoltaïques. On peut prévoir que l'installation comprend au moins deux électrolyseurs, au moins un des panneaux étant interposé entre les deux électrolyseurs. Une telle architecture décentralisée des électrolyseurs est contre-intuitive compte tenu de l'effet d'échelle recherché et du marché. Elle présente cependant des avantages. En séparant les électrolyseurs du reste de l'installation (balance of plant), on obtient un avantage sur le convoyage de l'énergie vers ce dernier par exemple situé au centre du champ. En effet, lorsque les électrolyseurs étaient centralisés, le convoyage de l'énergie au sein de l'installation se faisait principalement depuis les panneaux photovoltaïques vers les électrolyseurs et donc sous la forme de câbles électriques. En présence d'une telle architecture décentralisée des électrolyseurs, le convoyage de l'énergie se fait maintenant principalement depuis les électrolyseurs vers le dispositif de traitement de l'hydrogène et donc sous la forme de tuyaux de transport de ce gaz. (Ce transport peut avoir lieu avec le gaz à l’état brut tel qu’il est généré par l’électrolyseur, soit après un premier traitement (déshydratation, désoxygénation, …) Cela s'avère économiquement intéressant pour l'investissement et plus efficace car il y a moins de perte d'énergie dans le convoyage. Cela permet de réduire les câbles (longueur et section) en mettant le consommateur (l’électrolyseur) au plus près de la source de production (le panneau). La centralisation, en particulier pour des champs de taille de 100 MW et plus, ne concerne plus que les autres fonctions telles que le prétraitement de l’eau, le post-traitement de l’hydrogène, sa compression et son stockage. En reliant les électrolyseurs à cette dernière partie par un réseau de tuyauterie convoyant l’hydrogène et la vapeur d’eau produits (il peut aussi y avoir des traces d’oxygène), les pertes de charge sont beaucoup plus faibles au plan énergétique que des pertes par effet Joule dans des câbles électriques. L’installation gagne en efficacité. Les électrolyseurs se trouvant dispersés au sein du champ, on améliore encore l'intégration entre la production et la consommation du courant électrique. On peut prévoir que l'installation comprend au moins deux électrolyseurs qui s’étendent à une distance l’un de l’autre plus grande qu’une moitié d’une plus grande dimension du champ. On peut prévoir que les électrolyseurs forment un ensemble plus grand qu’une moitié d’une plus grande dimension du champ. On peut prévoir que le ou chaque électrolyseur est relié aux panneaux sans interposition entre l’électrolyseur et les panneaux d’un organe d’électronique de puissance. L’invention permet en effet aussi d’éviter le recours aux équipements d’électronique de puissance, ce qui contribue davantage à la réduction des investissements initiaux. Il en résulte aussi des gains en efficacité puisque ce type d’équipement est consommateur d’énergie et génère des pertes par effet Joule. On peut prévoir que l’installation comprend un dispositif de traitement de l’hydrogène, le dispositif se trouvant à une distance du champ inférieure ou égale à une plus grande dimension du champ. On peut prévoir que le dispositif se trouve dans le champ. On peut prévoir que le dispositif se trouve hors du champ. Par exemple, la fonction de compression du gaz hydrogène produit pourra être mise en œuvre à grande distance du champ tandis qu’au moins une fonction de post-traitement (déshydratation par exemple) aurait lieu dans le champ ou au voisinage de ce dernier. Par exemple, le dispositif se trouve dans une zone centrale du champ. Dans un mode de réalisation, l'installation comprend au moins deux électrolyseurs et le dispositif se trouve entre les deux électrolyseurs. On prévoit également selon l’invention un procédé de production d’hydrogène dans lequel des panneaux photovoltaïques formant un champ alimentent en courant électrique au moins un électrolyseur produisant de l’hydrogène et se trouvant dans le champ. DESCRIPTION DES FIGURES Nous allons maintenant présenter deux modes de réalisation de l'invention à titre d'exemples non-limitatif à l'appui des dessins sur lesquels : - les figures 1 et 2 sont des schémas d’un premier mode de réalisation d’une installation selon l’invention ; - les figures 3 et 4 sont deux vues analogues aux figures 1 et 2 illustrant un deuxième mode de réalisation de l’invention ; et - la est un schéma du dispositif de traitement de l’hydrogène dans chacun de ces modes de réalisation. Nous allons présenter deux modes de réalisation de l’invention. Il s’agit de deux architectures différentes d’intégration photovoltaïque-électrolyse. Premier mode de réalisation Nous allons décrire en référence aux figures 1 et 2 un premier mode de réalisation de l’installation 100 selon l’invention. L’installation de production d’hydrogène 100 comprend un champ 4 de panneaux photovoltaïques 6. La est un schéma de la disposition spatiale des éléments de l’installation 100. Les proportions de surface au sol dans ce schéma sont proches de la réalité. Chaque carré représente par exemple une portion de terrain d’un hectare portant des panneaux photovoltaïques 6, par exemple des dizaines, des centaines ou jusqu’à 3000 panneaux par exemple. La illustre leur liaisons électriques et fluidiques sous forme sommaire, sans respect de la disposition spatiale ni des proportions. Les liaisons sont incomplètes, en particulier les liaisons électriques. Il est entendu que sur la seul un petit nombre de panneaux 6 ont été représentés. Le champ 4 a ici une forme rectangulaire mais de multiples autres formes géométriques, éventuellement non planes suivant les reliefs du terrain, peuvent être envisagées : carré, circulaire, triangulaire, etc. Il peut s’agir d'un champ en plusieurs portions disjointes. Le champ 4 présente une plus grande dimension géométrique D mesurée en l’espèce suivant une diagonale du rectangle. L’installation comprend aussi plusieurs électrolyseurs 8 représentés ici en commun par un bloc sur les figures 1 et 2. Chaque électrolyseur 8 est configuré pour produire de l’hydrogène et de l’oxygène. L’installation 100 comprend à cette fin des moyens d’alimentation des électrolyseurs en eau. Comme illustré à la , les électrolyseurs 8 sont alimentés en courant électrique par les panneaux 6. La liaison entre les panneaux et les électrolyseurs se fait en courant continu. Différents montages électriques sont possibles à cette fin que l’homme du métier saura lui-même prévoir. Notamment, on peut prévoir que tous les panneaux alimentent en commun tous les électrolyseurs ou bien que des groupes respectifs disjoints de panneaux alimentent les électrolyseurs respectifs. La montre que les électrolyseurs 8 se trouvent dans le champ, et en l’espèce dans une zone centrale du champ. Les électrolyseurs 8 se trouvent donc entre certains des panneaux 6. Cette disposition réduit les pertes par effet Joule, les câblages reliant les panneaux 6 aux électrolyseurs 8 étant globalement plus courts que dans le premier mode de réalisation. On peut aussi prévoir en variante que certains électrolyseurs 8 se trouvent hors du champ mais à proximité de ce dernier, par exemple à une distance du champ 4 inférieure ou égale à la plus grande dimension D , et même inférieure à 50% et 80% de cette dernière. L’installation 100 comprend un dispositif 10 de traitement de l’hydrogène produit par les électrolyseurs 8. Un tel dispositif est classique et ne sera pas détaillé ici. En aval des électrolyseurs, le dispositif 10, comme illustré à la , effectue le traitement de l’hydrogène au moyen des fonctions successives suivantes : séparation d’avec de l’eau résiduelle, séchage (déshydratation) 18, désoxygénation 20, compression 22, stockage 24. Les électrolyseur 8 sont reliés au dispositif de traitement central 10 par un ou plusieurs conduits 16 acheminant l’hydrogène vers ce dernier. Le dispositif 10 se trouve en l’espèce au sein du sous-ensemble 12 assurant les fonctions centralisées de l’installation (balance of plant). Le dispositif 10 et le sous-ensemble 12 dont il fait partie se trouvent eux aussi dans le champ et même dans la zone centrale, comme illustré à la . Par ailleurs, l’oxygène également produit par les électrolyseurs pourra être rejeté immédiatement dans l’atmosphère ou bien traité et stocké. L’installation comprend aussi en amont une unité de déminéralisation (non illustrée) qui permet de purifier l’eau alimentant chaque électrolyseur 8 pour rester en dessous d’une conductivité et d’une teneur en ion maximales prédéterminées. Elle comprend aussi une unité centralisée de refroidissement qui permet d’extraire des calories du système, en majorité celles générées par l’électrolyse. Cette dernière est une réaction endothermique mais les effets Joule sont prépondérants. Cette unité permet de stabiliser la température au sein des électrolyseurs entre 50 °C et 90°C, par exemple. Dans une variante, on peut prévoir que le refroidissement est assuré par des échangeurs à air sur chaque électrolyseur. Tous les éléments de l’installation, notamment les panneaux 6 et les électrolyseurs 8, peuvent être des éléments du commerce. Cette installation permet de mettre en œuvre le procédé de production d’hydrogène dans lequel les panneaux photovoltaïques 6 formant le champ 4 alimentent en courant électrique les électrolyseurs 8 produisant de l’hydrogène. L’installation peut comprendre des moyens de commande automatisés pour la commande de ce procédé. Deuxième mode de réalisation Nous allons maintenant décrire à l’appui des figures 3 et 4 une installation 200 formant un deuxième mode de réalisation. Elle est identique à la précédente sauf pour les caractéristiques suivantes. Cette fois, les électrolyseurs 8 ne sont plus au centre mais sont dispersés et répartis dans le champ. Comme le montre la , de nombreux panneaux 6 sont chacun interposés entre deux des électrolyseurs 8. Les électrolyseurs sont ici répartis dans tout le champ 4 si bien que certains d'entre eux s’étendent à une distance F l’un de l’autre plus grande qu’une moitié de la plus grande dimension D du champ, voire plus grande que 75 ou 80% de cette dernière. Les panneaux 6 sont connectés entre eux en groupes disjoints. Quatre groupes 14a-d sont illustrés à la , davantage à la . L'installation comprend un nombre beaucoup plus élevé de groupes, par exemple plusieurs dizaines. Il y a autant de groupes que d’électrolyseurs 8 et ces derniers sont associés aux groupes respectifs et à seulement l’un d’eux, donc de façon bijective. Ainsi, un premier électrolyseur 8 est alimenté en courant par un premier groupe des panneaux 6, un deuxième électrolyseur 8 est alimenté en courant par un deuxième groupe des panneaux 6, et ainsi de suite. Les électrolyseur 8 sont reliés au dispositif de traitement central 10 par des conduits 16 acheminant l’hydrogène (non traité, à savoir brut) vers ce dernier. Dans ce mode de réalisation, outre les effets d’échelle dont les fonctions connexes (séchage, désoxygénation, …) à l’électrolyse peuvent bénéficier, l’installation procure une configuration décentralisée où les électrolyseurs sont répartis dans le champ photovoltaïque en permettant de convoyer l’énergie vers la zone centrale par le réseau de tuyaux d’hydrogène 16 et non pas sous forme de courant électrique. Il y a aussi, en termes de sécurité, une réduction des effets « dominos » par rapport à une solution où les électrolyseurs sont centralisés (par exemple sous un même bâtiment). Dans un tel cas en effet, la proximité entre les électrolyseurs peut entrainer qu’un incident tel qu’une explosion sur l’un se propage aux voisins. On évite ici cet inconvénient par l’écart entre les électrolyseurs. Dans chacun de ces modes de réalisation, la liaison entre les panneaux 6 et les électrolyseurs 8 se fait sans passer par un réseau régional ou national de transport et de distribution d’électricité. De même, l'installation est à chaque fois dépourvue d'organes d'électronique de puissance DC/AC. On pourra apporter à l’invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. Installation (100 ; 200) de production d’hydrogène comprenant : - un champ (4) de panneaux photovoltaïques (6) ; et - au moins un électrolyseur (8) se trouvant dans le champ et configuré pour produire de l’hydrogène et pour être alimenté en courant électrique par les panneaux photovoltaïques. Installation selon la revendication précédente dans laquelle l’électrolyseur ou au moins l’un des électrolyseurs (8) se trouve dans une zone centrale du champ. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes qui comprend au moins un premier électrolyseur (8) et un deuxième électrolyseur (8), l’installation étant configurée de sorte que : - le premier électrolyseur est alimenté en courant électrique par un premier groupe des panneaux photovoltaïques (6) et - le deuxième électrolyseur est alimenté en courant électrique par un deuxième groupe des panneaux photovoltaïques (6). Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes qui comprend au moins deux électrolyseurs (8), au moins un des panneaux (6) étant interposé entre les deux électrolyseurs (8). Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes qui comprend au moins deux électrolyseurs qui s’étendent à une distance (F) l’un de l’autre plus grande qu’une moitié d’une plus grande dimension (D) du champ. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le ou chaque électrolyseur (8) est relié aux panneaux (6) sans interposition entre l’électrolyseur (8) et les panneaux (6) d’un organe d’électronique de puissance. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes qui comprend un dispositif (10) de traitement de l’hydrogène, le dispositif se trouvant à une distance du champ inférieure ou égale à une plus grande dimension (D) du champ. Installation selon la revendication précédente dans laquelle le dispositif (10) se trouve dans le champ (4). Installation selon l’une quelconque des revendications 7 à 8 dans laquelle le dispositif (10) se trouve dans une zone centrale du champ. Installation selon l’une quelconque des revendications 7 à 9 qui comprend au moins deux électrolyseurs et dans laquelle le dispositif (10) se trouve entre les deux électrolyseurs (8). Procédé de production d’hydrogène dans lequel des panneaux photovoltaïques (6) formant un champ (4) alimentent en courant électrique au moins un électrolyseur (8) produisant de l’hydrogène et se trouvant dans le champ.