Brevet FR3148042A1 — publié le 20241025

Procédé de pilotage d’une installation contenant plusieurs électrolyseurs. FIGURE DE L’ABREGE : Fig. 2 Procédé de pilotage d’une installation contenant plusieurs électrolyseurs La présente invention concerne le domaine de la production d’hydrogène. ARRIERE PLAN DE L’INVENTION La lutte contre le réchauffement climatique a obligé les autorités et les industriels à repenser l’approvisionnement énergétique de nos sociétés en vue de substituer aux énergies fossiles des énergies émettant moins de dioxyde de carbone, notamment dans le domaine du transport pour la motorisation des véhicules. L’électricité, qui peut être produite avec des émissions de dioxyde de carbone relativement faibles et consommée sans aucune émission, est rapidement apparue comme un substitut idéal mais son stockage est problématique. Les batteries constituent une source de pollution importante et ont de plus une capacité limitée au regard de leur encombrement. Cette capacité limitée est particulièrement préjudiciable dans le domaine des transports car elle autorise une faible autonomie pour une utilisation sur véhicule. Il est donc apparu intéressant de recourir à des systèmes de type pile à combustible qui peuvent produire de l’électricité à partir d’hydrogène tout en ayant un encombrement compatible avec une utilisation embarquée sur des véhicules. Il existe plusieurs méthodes de production d’hydrogène. La production d'hydrogène par électrolyse consiste à faire passer un courant continu entre une cathode et une anode disposées de part et d’autre d’un électrolyte. Le courant électrique provoque une électrolyse comprenant une réaction de réduction à la cathode qui engendre du dihydrogène et une réaction d’oxydation à l’anode qui engendre du dioxygène. L’électrolyte peut être liquide, comme une solution d’hydroxyde de potassium (KOH ; on parle couramment d’électrolyse alcaline), ou solide, comme une membrane échangeuse de protons (ou PEM) ou une membrane échangeuse d’anions (ou AEM). Dans le cas de l’électrolyse alcaline, la production d’hydrogène est réalisée au moyen d’un dispositif comprenant généralement : un électrolyseur dans laquelle un électrolyte est parcouru par un courant continu circulant entre deux électrodes pour générer de l'hydrogène et de l'oxygène ; un séparateur d'hydrogène relié à l’électrolyseur par l'intermédiaire d'une canalisation d'hydrogène gaz-liquide pour séparer l’hydrogène gazeux du liquide ; un séparateur d'oxygène relié à l’électrolyseur par l'intermédiaire d'une canalisation oxygène gaz-liquide pour séparer l’oxygène gazeux du liquide ; et une pompe de circulation respectivement en communication avec une canalisation de retour du séparateur d'hydrogène et une canalisation de retour du séparateur d'oxygène pour ramener le liquide à l’électrolyseur. Le séparateur d’hydrogène a une sortie reliée à un réservoir de stockage d’hydrogène et le séparateur d'oxygène a une sortie mise en communication avec l'atmosphère. Dans ce processus, il est nécessaire d'assurer l'équilibre des niveaux de liquide dans le séparateur d'hydrogène et le séparateur d'oxygène, et d'éviter le risque d'explosion dû à la connexion mutuelle du gaz et du liquide. L'équilibre des niveaux de liquide est obtenu en ajustant la pression du gaz dans les deux séparateurs. On comprend que l’intérêt, tant économique qu’écologique, de l’utilisation de l’hydrogène dans un processus énergétique dépend en grande partie des performances du dispositif de production de l’hydrogène. Idéalement, il est nécessaire que : les coûts de fabrication et d’exploitation du dispositif de production soient les plus faibles possibles ; l’impact sur les ressources naturelles pour la fabrication et l’exploitation du dispositif de production soit limité ; le dispositif ne produise que peu ou pas d’émissions polluantes lors de son exploitation ; le dispositif soit simple, efficace, fiable et relativement peu encombrant… Il existe des installations comprenant plusieurs électrolyseurs de l’un ou l’autre type. OBJET DE L’INVENTION L’invention a notamment pour but d’améliorer tout ou partie des aspects énergétiques d’une installation contenant plusieurs électrolyseurs. A cet effet, on prévoit, selon l’invention un procédé d’optimisation du pilotage d’une installation contenant plusieurs électrolyseurs. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : la est une courbe d’efficacité d’un électrolyseur ; la montre la charge de production d’une installation multi-électrolyseurs en fonction de la consommation spécifique et de la puissance électrique avec plusieurs courbes représentatives du nombre d’électrolyseurs en opération ; la est analogue à la et montre les intersections des courbes entre elles ; la est analogue à la et montre la courbe de meilleure efficacité (BEL) pour des électrolyseurs considérés individuellement en terme de charge ; la est un graphique montrant la consommation spécifique de l’installation en fonction de la charge de chaque électrolyseur de l’installation ; la est un graphique qui montre l’évolution des « HOLOS points » situés à gauche et à droite du BEP ; la est un graphique qui montre le rapport de charge individuelle des HOLOS points consécutifs ; la est analogue à la et montre la courbe de meilleure efficacité (BEL) pour des électrolyseurs considérés par groupe de quatre en terme de charge ; la est analogue à la et montre la courbe de pire efficacité (WEL) ; DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION A titre d’exemple, l’installation ou système multi-électrolyseurs (MIEL-S ou « Multi Identical ELectrolyzer System ») est ici composée de 24 électrolyseurs (ELY) identiques de 1000Nm³/h, chacun est supposé totalement indépendant en terme de charge de production. L’optimisation du pilotage d’une installation multi-électrolyseur n’est pas trivial et nécessite d’être construit conceptuellement étape par étape. La première partie de la présente description est basée sur une approche idéalisée de la réalité, en ne prenant en compte que le comportement théorique de l’installation en début de vie (BOL) pour définir une stratégie d’optimisation de son pilotage. La seconde partie de la présente description a pour but de compléter cette approche avec les phénomènes « non-idéaux » comme par exemple l’incidence de la dégradation des performances dans le temps sur l’optimisation du pilotage. L’hypothèse de départ est que la demande en terme de charge de production d’H2 est connue et que le problème à résoudre est de minimiser la consommation électrique specifique de l’installation (consommation spécifique Cs [kwh/Nm³]) compte tenu de cette charge de production. Approche idéalisée Points critiques d’une courbe d’efficacité d’un électrolyseur (voir la ) Trois points caractéristiques sont à noter sur la courbe de Cs de l’ELY : MCR ou maximum continuous rate (débit continu maximum). Soit, dans l’exemple ci-dessous, 100% de charge (1000 Nm³/h) pour une Cs de 4.66 kwh/Nm³ ; BEP ou best efficiency point (point d’efficacité maximum). Soit 52% de charge pour une Cs de 4,56 kwh/Nm³ sur l’exemple de la figure ci-dessous. La courbe de consommation spécifique passe effectivement par un minimum (BEP) qui résulte des phénomènes antagonistes internes au stack lorsque la densité de courant de celui-ci varie ; MSOL ou « minimum stable operating point » (point de fonctionnement stable minimum). Dans la figure ci-dessous, à 27% de charge de production d’H2. Ligne de meilleure efficacité ou Best Efficiency Line (BEL) - Optimisation du fonctionnement d’une installation MIEL-S Etant donné la concavité de la courbure (dérivée seconde positive) de la Cs montrée au point 2.a, un système fonctionnant avec plusieurs ELY et devant rencontrer une charge donnée minimisera toujours sa consommation spécifique en homogénisant au maximum la charge de production individuelle de chaque ELY au sein du système. Dans l’exemple d’installation ici décrit, considérons que les 24 ELY fonctionnent chacun à 70% de leur charge, l’installation sera alors à 70% de sa capacité (ou charge) totale. La consommation spécifique de l’installation serait alors (voir la , échelle de gauche) d’environ 4.59kwh/Nm³. Nous pourrions imaginer de faire varier la charge d’un des 24 ELY à la baisse et de de maintenir la charge de l’installation inchangée en faisant varier dans les mêmes proportions un autre des 24 ELY. Le résultat serait moins bon en terme de consommation spécifique de l’installation. Ceci définit une première stratégie d’optimisation par homogénéïsation de charge de fonctionnement, nommée HOLOS pour « HOmogeneous Load Operation Strategy ». Cette stratégie repose sur le principe qui veut que pour un nombre donné d’ELY en opération sur les 24 que compte l’installation (MIEL-S), ceux-ci minimiseront la consonsommation électrique de l’installation pour une charge de production donnée en étant tous à la même charge de production individuelle. Par ailleurs, on considère dans la 24 courbes de consommation spécifique. Elles sont toutes de type HOLOS. La première dont nous avons fait mention ci-avant est relative au cas où les 24 ELY sont en opération. Les 23 autres courbes considèrent 23, 22, 21, …, 3, 2, 1 ELY en fonctionnement suivant donc une stratégie HOLOS. L’étape suivante consiste à définir quand arrêter ou démarrer un ELY lorsque la charge de l’installation MIEL-S varie. C’est l’objet de la qui montre les intersections des courbes HOLOS 24 avec HOLOS 23 ; HOLOS 23 avec HOLOS 22 ; … ; HOLOS 2 avec HOLOS 1. Ces charges de production (HOLOS points) sont en réalité les pourcentages de charge de production de l’installation (MIEL-S) auxquels il est théoriquement opportun de faire varier le nombre d’ELY en fonctionnement afin de minimiser la consommation spécifique du système. Cette optimisation ne prend pas en compte, à ce stade-ci, la pénalité que l’installation MIEL-S subit en termes de dégradation de performance pour le futur. Cet aspect « non-idéal » sera traité dans la section dédiée de ce document. Partant de là, il est possible de tracer la courbe enveloppe BEL « Best Efficiency Line » du MIEL-S. Celle-ci est représentée sur la et constitue une borne inférieure de la consommation spécifique de l’installation (MIEL-S). Bien que cette ligne semble décrire un plateau (en particulier entre 25% et 50% de charge) elle passe en réalité sur 24 minimum, tous égaux et correspondant au « BEP » défini plus haut. Les charges individuelles des ELY du système où le nombre d’ELY évolue au niveau de l’installation sont représentées à la . La chronologie des numéros repris sur le graphique correspond à une montée en charge de l’installation MIEL-S commençant par un ELY fonctionnant à MSOL (le point 1). Cet ELY monte en charge, suivant la courbe Cs jusqu’au point 2, moment où un second ELY doit être démarré pour minimiser Cs tout en continuant à augmenter la charge de l’installation (MIEL-S). Ce faisant, la charge individuelle des deux ELY se positionnent « instantanément » au point 3. Les charges individuelles continuent ainsi d’évoluer vers les points 4, 5, 6, 7, …, 46, 47. Ces points sont dénommés « HOLOS points » dans la suite. Le graphique de la montre l’évolution des « HOLOS points » situés à gauche et à droite du BEP. Le rapport de charge individuelle des HOLOS points consécutifs (juste avant et juste après le changement du nombre d’ELY en fonctionnement) suit une suite logique illustrée sur le graphique de la . Si l’installation MIEL-S devait comporter des ELY solidaires 4 par 4 en termes de charge (par exemple en considérant 6 ELY4000 au lieu de 24 ELY1000), la BEL évoluerait comme le montre le graphique de la (ligne rouge au lieu de noire). Ligne de pire efficacité ou Worst Efficiency Line (WEL) d’une installation MIEL-S Le graphique de la montre une alternative volontairement dégradée de la Best efficiency line : la « Worst Efficiency Line – HOLOS ». Bien que cette alternative considère toujours une approche HOLOS, elle fait en revanche fi des « HOLOS points » définis plus haut. En effet, considérant par exemple le cas d’une diminution de charge et partant du cas de 24 ELY à 100% de charge, la stratégie suivie consiste à arrêter au plus tôt les ELY, 1 par 1, laissant ainsi fonctionner les autres ELY à une charge individuelle relativement haute et ce en permanence. Après 15 arrêts d’ELY et baissant la charge des 9 autres ELY restant en opération, une deuxièment erreur de stratégie commise ci-dessus consiste, lorsque la charge de l’installation est suffisamment basse, à redémarrer l’ensemble des 24 ELY pour tous les faire fonctionner à très basse charge individuelle, là où les Cs individuelles sont moins bonnes. La suite de l’illustration considère également un arrêt 1 par 1 des ELY jusqu’à la situation où 1 seul ELY est en fonctionnement et descend jusqu’à son MSOL. Prise en compte des phénomènes non-idéaux Liste des phénomènes « non-idéaux » influençant l’optimisation de la gestion de la charge de l’installation MIEL-S : Limitation de la plage de fonctionnement (% de charge de production H2) liée à certains composants de l’installation (y compris internes aux ELY en cas de mise en commun de plusieurs ELY) ; Dégradation des performances liée aux arrêts et démarrages des ELY ; Dégradation des performances liée aux heures de fonctionnement des ELY ; Temps d’arrêt et de démarrage des ELY ainsi que les pertes énergétiques pendant les transitoires ; Besoin dynamique d’absorption ou diminution de charge de l’installation MIEL-S en fonction de la prédiction de la demande de production ; L’indisponibilité totale ou partielle d’un ou plusieurs ELY. Prise en compte des phénomènes « non-idéaux » influençant l’optimisation de la gestion de la charge de l’installation MIEL-S De manière générale, la réponse à la question « à quelle charge de l’installation faut-il arrêter ou démarrer les ELY au sein d’un système multi-ELY (MIEL-S) », compte tenu de ces phénomènes « non-idéaux », sera fonction de la prédiction de la charge future et du du temps de vie restant de l’installation… En effet, ayant en tête par exemple que chaque arrêt d’un ELY implique une dégradation de ses performances futures, faut-il, en cours d’opération et faisant face à une augmentation de la demande de production d’H2 : démarrer un ELY supplémentaire pour diminuer la charge moyenne des ELY et ainsi diminuer la consommation énergétique de l’installation à court terme alors que nous sommes en même temps informés que cette charge, jusque là croissante, est sur le point de diminuer et que l’ELY qui vient d’être démarré devra être bientôt arrêté ? ou au contraire, tolérer un défaut d’optimisation à court terme pour préserver les performance de l’installation à plus long terme? La réponse à cette question ne sera pas nécessairement la même en fonction du moment où nous la posons dans la vie de l’installation. Ceci fait intervenir la notion de LCOH et de son recalcul en continu sur base des prédictions de charge à court et long terme. Ainsi, l’optimisation du rendement d’une installation peut être obtenue par, séparément ou tout ou partie en combinaison : l’homogénéisation individuelle des ELY ; le fonctionnement d’un maximum d’ELY à son point de fonctionnement optimal ; la détermination dynamique de la charge de chaque ELY individuellement en fonction de son rendement spécifique particulier (lié à son vieillissement propre, sa capacité propre…) ; l’adaptation des capacités individuelles de l’installation en vue d’affiner la capacité de charge ou de production et d’optimiser le rendement de l’installation. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications. Procédé de pilotage d’une installation contenant plusieurs électrolyseurs, caractérisé en qu’il comprend l’étape, pour une charge de production prédéterminée de l’installation, de mettre en opération un nombre donné d’électrolyseurs, parmi les électrolyseurs que compte l’installation, à la même charge de production individuelle pour minimiser une consommation électrique specifique de l’installation. Procédé selon la revendication 1, comprenant l’étape d’arrêter ou de démarrer un électrolyseur, lorsque la charge de l’installation varie, en fonction de pourcentages de charge de production de l’installation auxquels il est théoriquement opportun de faire varier le nombre d’électrolyseurs en fonctionnement afin de minimiser la consommation spécifique de l’installation.