Brevet FR3164846A1 — publié le 20260123

L’invention concerne une installation (2) de production de dihydrogène comportant : un système de chauffage (6) configuré pour fournir au moins un flux d’eau chauffée (8) ; et un système électrochimique (4) comportant une pluralité d’empilements (10), chacun configuré pour produire un flux de gaz de sortie (12) à partir d’un flux d’eau chauffée respectif ; le système de chauffage comportant : un dispositif de chauffage primaire (18) configuré pour porter le flux d’eau d’entrée à une température intermédiaire, pour former un flux d’eau intermédiaire (22) ; et une pluralité de dispositifs de chauffage secondaires (20), chacun étant connecté en sortie du dispositif de chauffage primaire (18) pour recevoir une fraction respective du flux d’eau intermédiaire, et étant configuré pour porter ladite fraction reçue à une température de fonctionnement nominale d’un empilement (10) correspondant, pour former le flux d’eau chauffée (8) alimentant ledit empilement (10). Figure 1 Installation de production de dihydrogène La présente invention concerne une installation de production de dihydrogène. L’invention s’applique au domaine de la production industrielle de dihydrogène, et en particulier aux installations mettant en œuvre des cellules d’électrolyse à oxyde solide. État de la technique Dans le domaine de la production de dihydrogène, il est classiquement connu de recourir à des systèmes d’électrolyse mettant en œuvre une membrane échangeuse de protons (ou PEM, de l’anglais « Proton Exchange Membrane »), une membrane échangeuse d’anions (ou AEM, de l’anglais « Anion Exchange Membrane »), ou encore une technologie alcaline. Plus récemment, des systèmes dits SOE (de l’anglais « Solid Oxide Electrolysis », ou électrolyse à oxyde solide), présentant un meilleur rendement que les systèmes classiques, ont vu le jour. De façon classique, de tels systèmes d’électrolyse comprennent des empilements de cellules électrochimiques au sein desquelles les réactions d’électrolyse ont lieu. De façon générale, le rendement d’un système d’électrolyse est défini comme l’énergie électrique consommée par le système d’électrolyse pour un kilogramme de dihydrogène produit. Plus précisément, un système d’électrolyse SOE présente un rendement supérieur à 80%, soit une performance environ 30% meilleure que celle des systèmes d’électrolyse PEM. Une telle amélioration du rendement est, en grande partie, due à la mise en œuvre, dans les systèmes d’électrolyse SOE, de réactions d’hydrolyse à haute température (généralement entre 700°C et 800°C), ce qui réduit l’énergie électrique nécessaire pour diviser les molécules d’eau (vapeur) en hydrogène et oxygène. Néanmoins, les systèmes d’électrolyse SOE de l’état de la technique ne donnent pas entière satisfaction. En effet, l’eau injectée en entrée du système d’électrolyse nécessite d’être portée à une température suffisante pour que les réactions d’hydrolyse puissent avoir lieu. Or, une telle élévation de température, depuis la température ambiante jusqu’à la température de travail (de l’ordre de 700°C à 800°C), requiert un apport d’énergie susceptible de compromettre le rendement global du système d’électrolyse. En outre, au sein d’un même électrolyseur, des disparités entre cellules électrochimiques sont susceptibles de conduire à des températures de travail optimales différentes d’un empilement à l’autre. Un but de la présente invention est de remédier à au moins un des inconvénients de l’état de la technique. Un autre but de l’invention est de proposer un système d’électrolyse SOE qui présente un meilleur rendement que les systèmes usuels, malgré les différences de température de travail optimales entre empilements. À cet effet, l’invention concerne une installation du type précité, comportant : un système de chauffage configuré pour recevoir un flux d’eau d’entrée présentant une température initiale et pour fournir, en sortie, au moins un flux d’eau chauffée présentant une température supérieure à la température initiale ; et un système électrochimique fluidiquement raccordé en sortie du système de chauffage pour recevoir chaque flux d’eau chauffée, le système électrochimique comportant une pluralité d’empilements de cellules électrochimiques, chaque empilement étant configuré pour produire au moins un flux de gaz de sortie à partir d’un flux d’eau chauffée respectif, l’au moins un flux de gaz de sortie comportant du dihydrogène ; l’installation étant caractérisée en ce que le système de chauffage comporte : un dispositif de chauffage primaire configuré pour porter le flux d’eau d’entrée à une température intermédiaire supérieure à la température initiale, pour former un flux d’eau intermédiaire ; et une pluralité de dispositifs de chauffage secondaires, chacun associé à un empilement correspondant de la pluralité d’empilements, chaque dispositif de chauffage secondaire étant fluidiquement connecté en sortie du dispositif de chauffage primaire pour recevoir une fraction respective du flux d’eau intermédiaire, et étant configuré pour porter ladite fraction respective reçue à une température finale égale à une température de fonctionnement nominale de l’empilement correspondant, supérieure à la température intermédiaire, pour former le flux d’eau chauffée alimentant ledit empilement. En effet, grâce à l’invention, l’eau destinée à chaque empilement est chauffée en deux étapes. Plus précisément, grâce à l’unique dispositif de chauffage primaire, le flux d’eau d’entrée est d’abord porté à une température inférieure à la température nominale de chaque empilement. Puis, grâce à chaque dispositif de chauffage secondaire, le fraction du flux d’eau intermédiaire qui est destinée à chaque empilement est portée à la température nominale dudit empilement. De cette façon, la température de l’eau destinée à chaque empilement est ajustée audit empilement, et ce grâce à un unique système de chauffage. Il en résulte un rendement optimal pour chaque empilement, ainsi qu’une faible complexité du système de chauffage. De façon avantageuse, l’installation selon l’invention présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toute combinaison techniquement possible : le dispositif de chauffage primaire est un dispositif de chauffage passif configuré pour assurer un échange thermique entre le flux d’eau d’entrée et l’au moins un flux de gaz de sortie ; le système électrochimique comprend, pour au moins un empilement de la pluralité d’empilements, une enceinte thermiquement isolante respective formant une boîte chaude individuelle, ledit empilement et le dispositif de chauffage secondaire correspondant étant agencés dans ladite boîte chaude individuelle ; le dispositif de chauffage primaire est agencé à l’extérieur de chaque boîte chaude individuelle ; le système électrochimique comprend, pour au moins deux empilements de la pluralité d’empilements, une enceinte thermiquement isolante commune correspondante, formant une boîte chaude collective, lesdits au moins deux empilements et chaque dispositif de chauffage secondaire correspondant étant agencés dans ladite boîte chaude collective ; chaque empilement de la boîte chaude collective est agencé, conjointement au dispositif de chauffage secondaire associé, dans une enceinte respective disposée dans la boîte chaude collective correspondante ; le dispositif de chauffage primaire est agencé à l’extérieur de la boîte chaude collective ; chaque dispositif de chauffage secondaire comprend : une conduite pour la circulation de la fraction respective du flux d’eau intermédiaire ; et un organe de chauffage configuré pour transformer une première source d’énergie en énergie thermique, et pour appliquer l’énergie thermique produite à la conduite ; l’organe de chauffage comporte une résistance électrique bobinée autour d’un manchon agencé autour de la conduite correspondante, le manchon étant, de préférence, en céramique ; le système électrochimique est un électrolyseur à oxyde solide, chaque flux d’eau chauffée comprenant de l’eau en phase vapeur. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : la FIG. 1 est une représentation schématique générale d’une installation selon l’invention ; la FIG. 2 est une représentation schématique d’une cellule électrochimique d’un système électrochimique de l’installation de la FIG. 1 ; la FIG. 3 est une représentation schématique d’un premier mode de réalisation de l’installation de la FIG. 1 ; et la FIG. 4 est une représentation schématique d’un deuxième mode de réalisation de l’installation de la FIG. 1 . Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si c'est cette partie qui est uniquement suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s’oppose à cette combinaison sur le plan technique. Sur les figures et dans la suite de la description, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence. Description détaillée Une installation 2 de production de dihydrogène selon l’invention est illustrée par la FIG. 1 . L’installation 2 comprend un système électrochimique 4 et un système de chauffage 6. Le système de chauffage 6 est configuré pour fournir, en sortie, au moins un flux d’eau chauffée 8. En outre, le système électrochimique 4 est fluidiquement raccordé en sortie du système de chauffage 6 pour recevoir chaque flux d’eau chauffée 8. Au sens de la présente invention, l'expression « A fluidiquement raccordé/relié/connecté à B » signifie que « A est en connexion fluidique avec B », mais n’exclut pas la présence d’un ou de plusieurs organe(s) entre A et B. Le système électrochimique 4 est configuré pour produire du dihydrogène à partir de chaque flux d’eau chauffée 8. De préférence, le système électrochimique 4 est un système électrochimique à oxyde solide. Par exemple, le système électrochimique 4 est un électrolyseur à phase gazeuse, destiné à la production de dihydrogène à partir d’un flux de vapeur d’eau et d’énergie électrique. Dans ce cas, le flux d’eau chauffée 8 comprend de l’eau en phase vapeur. De façon classique, le système électrochimique 4 comporte une pluralité d’empilements 10 de cellules électrochimiques. De préférence, chaque empilement 10 comprend une pluralité de cellules électrochimiques 11 et d’interconnecteurs étagés alternativement. Chaque empilement 10 est agencé pour recevoir un flux d’eau chauffée 8 respectif. En outre, chaque empilement 10 est configuré pour produire au moins un flux de gaz de sortie 12 à partir d’un flux d’eau chauffée 8 respectif. Plus précisément, au moins un flux de gaz de sortie 12 produit par un empilement 10 donné quelconque comporte du dihydrogène. Chaque empilement 10 présente une température de fonctionnement nominale correspondante, à laquelle la transformation du flux d’eau chauffée 8 respectif en dihydrogène présente la plus grande efficacité. De façon connue, et comme illustré par la FIG. 2 , chaque cellule électrochimique 10 comprend deux électrodes 116 et 118, formant respectivement une anode et une cathode, ainsi qu’un électrolyte 120 disposé entre les électrodes 116 et 118. En outre, chaque interconnecteur, portant ici la référence numérique 112A ou 112B, comprend une plaque usinée ou emboutie pour autoriser la circulation de fluide(s), ou encore une pluralité de plaques superposées pour conférer les mêmes propriétés à l’interconnecteur 112. En particulier, dans le cas d’un fonctionnement en électrolyseur, la cellule électrochimique 10 est configurée pour dissocier des molécules d’eau en dihydrogène et en dioxygène par oxydoréduction. Pour ce faire, de la vapeur d’eau 122 (issue du flux d’eau chauffée 8) est introduite, par un premier interconnecteur 112A, au niveau de la cathode 118 qui assure la réaction de réduction électrochimique entraînant une production de dihydrogène 124 sous forme gazeuse et d’ions superoxyde 126. Une différence de potentiel est imposée entre l’anode 116 et la cathode 118, créant un champ électrique qui entraîne une migration des ions superoxyde 126 de la cathode 118 vers l’anode 116 à travers l’électrolyte 120. À l’anode 116, les ions superoxyde 126 sont oxydés, entraînant une production de dioxygène 128 sous forme gazeuse, qui est évacué par un deuxième interconnecteur 112B. L’au moins un flux de gaz de sortie 12 mentionné précédemment comprend, en particulier, l’un et/ou l’autre des flux 124, 128. Dans le cas d’un fonctionnement en pile à combustible, les réactions inverses ont lieu (en particulier, oxydation d’un flux entrant de dihydrogène), résultant, notamment, en la production d’énergie électrique. Selon un premier mode de réalisation, illustré par la FIG. 3 , le système électrochimique 4 comprend, en outre, pour au moins un empilement 10 de la pluralité d’empilements 10, une enceinte thermiquement isolante 14 respective, dite « boîte chaude individuelle ». Dans ce cas, chaque empilement 10 est agencé dans ladite boîte chaude individuelle 14 respective. Système de chauffage Le système de chauffage 6 est configuré pour recevoir un flux d’eau d’entrée 16 présentant une température initiale. En outre, le système de chauffage 6 est configuré pour fournir, en sortie, à partir du flux d’eau d’entrée 16, l’au moins un flux d’eau chauffée 8 mentionné précédemment. Plus précisément, chaque flux d’eau chauffée 8 présente une température supérieure à la température initiale. Le système de chauffage 6 comporte un dispositif de chauffage primaire 18 et une pluralité de dispositifs de chauffage secondaires 20 agencés en aval du dispositif de chauffage primaire 18 par rapport à un sens d’écoulement du flux d’eau. Dispositif de chauffage primaire Le dispositif de chauffage primaire 18 est configuré pour porter le flux d’eau d’entrée 16 à une température intermédiaire supérieure à la température initiale, pour former un flux d’eau intermédiaire 22. Le flux d’eau intermédiaire 22 présente une température strictement inférieure à la température nominale de chaque empilement 10. De préférence, le flux d’eau intermédiaire 22 présente une température supérieure ou égale à 700°C, par exemple comprise entre 700°C et 800°C. De préférence, le dispositif de chauffage primaire 18 est agencé à l’extérieur de chaque boîte chaude individuelle 14. De préférence encore, le dispositif de chauffage primaire 18 est, en outre, agencé dans une enceinte thermiquement isolante respective (non représentée). Avantageusement, le dispositif de chauffage primaire 18 est un dispositif de chauffage passif, tel qu’un échangeur thermique, configuré pour assurer un échange thermique entre le flux d’eau d’entrée 16 et un flux d’un deuxième fluide présentant une température supérieure à la température initiale, en particulier supérieure ou égale à la température intermédiaire. En particulier, le flux de deuxième fluide comprend un ou plusieurs flux de gaz de sortie 12. Une telle caractéristique est avantageuse, dans la mesure où elle améliore le rendement en exploitant la chaleur transportée par chaque flux de gaz de sortie 12. Dispositifs de chauffage secondaires Chaque dispositif de chauffage secondaire 20 est associé à un empilement 10 correspondant de la pluralité d’empilements 10. En outre, chaque dispositif de chauffage secondaire 20 est fluidiquement connecté en sortie du dispositif de chauffage primaire 18 pour recevoir une fraction 24 respective du flux d’eau intermédiaire 22. Chaque dispositif de chauffage secondaire 20 est, en outre, configuré pour porter la fraction 24 respective reçue du flux d’eau intermédiaire 22 à une température finale égale à la température de fonctionnement nominale de l’empilement 10 correspondant, pour former le flux d’eau chauffée 8 alimentant ledit empilement 10. De préférence, l’élévation en température induite par un dispositif de chauffage 20 donné est comprise entre 20°C et 120°C. Comme illustré par la FIG. 3 , chaque dispositif de chauffage secondaire 20 est agencé dans une boîte chaude individuelle 14 correspondante, conjointement à l’empilement 10 associé. Chaque dispositif de chauffage secondaire 20 est un dispositif de chauffage actif. En alternative, au moins un dispositif de chauffage secondaire 20 est un dispositif de chauffage passif, tel qu’un échangeur thermique, configuré pour assurer un échange thermique entre la fraction 24 respective du flux d’eau intermédiaire 22 et au moins un flux de gaz de sortie 12 disponible en sortie de l’empilement 10 correspondant. De préférence, chaque dispositif de chauffage secondaire 20 comprend une conduite 26 associée à un organe de chauffage 28. Plus précisément, pour chaque dispositif de chauffage secondaire 20, la conduite 26 est une conduite de circulation de la fraction 24 respective du flux d’eau intermédiaire 22. En outre, l’organe de chauffage 28 est configuré pour transformer une première source d’énergie (de préférence électrique) en énergie thermique, et pour appliquer l’énergie thermique produite à la conduite 26 associée, et ce afin d’augmenter la température de la fraction 24 du flux d’eau intermédiaire 22 circulant dans ladite conduite 26. De préférence, l’organe de chauffage 28 comporte une résistance électrique bobinée autour d’un manchon en céramique agencé autour de la conduite 26 associée audit organe de chauffage 28. Un deuxième mode de réalisation d’une installation selon l’invention est illustré par la FIG. 4 . L’installation 32 de la FIG. 3 se distingue de l’installation 2 de la FIG. 1 en ce que le système électrochimique 4 comprend, pour au moins deux empilements 10 de la pluralité d’empilements, une enceinte thermiquement isolante commune 34, dite « boîte chaude collective ». Dans ce cas, lesdits au moins deux empilements 10 et chaque dispositif de chauffage secondaire 20 correspondant sont agencés dans ladite boîte chaude collective 34. La boîte chaude collective 34 a pour fonction de maintenir une température ambiante élevée et de garantir une isolation thermique performante pour réduire les pertes d’énergie du système de chauffage. Avantageusement, dans ce cas, chaque empilement 10 de la boîte chaude collective 34 est agencé, conjointement au dispositif de chauffage secondaire 20 associé, dans une enceinte 36 respective disposée dans la boîte chaude collective 34. Le recours à une telle enceinte est avantageux, dans la mesure où il résulte en ce que la température au voisinage de chaque empilement 10 reste voisine de la température nominale correspondante. Dans ce deuxième mode de réalisation, le système de chauffage 6 est susceptible de comprendre, en outre, un dispositif de chauffage intermédiaire (non représenté), disposé dans la boîte chaude collective 34, et fluidiquement connecté entre le dispositif de chauffage primaire 18 et chaque dispositif de chauffage secondaire 20 pour la circulation du flux d’eau intermédiaire 22. Un tel dispositif de chauffage intermédiaire est configuré pour porter la température du flux d’eau intermédiaire 22 à une nouvelle température intermédiaire supérieure à la température intermédiaire en entrée du dispositif de chauffage intermédiaire. De préférence, le dispositif de chauffage intermédiaire est un dispositif de chauffage actif. Dans ce cas, chaque dispositif de chauffage secondaire 20 est, de préférence, un dispositif de chauffage passif. Bien évidemment, une combinaison entre ces deux modes de réalisation est envisageable. Par exemple, au sein d’une même installation, une première partie des empilements 10 (ainsi que les dispositifs de chauffage secondaire 20 respectifs) pourraient être agencés dans des boîtes chaudes individuelles, tandis qu’une deuxième partie des empilements 10 pourraient être agencés conjointement (ainsi que les dispositifs de chauffage secondaire 20 respectifs) dans une boîte chaude collective 34. Fonctionnement En fonctionnement, le dispositif de chauffage primaire 18 reçoit le flux d’eau d’entrée 16, qui présente une température initiale. Le dispositif de chauffage primaire 18 porte le flux d’eau d’entrée 16 à la température intermédiaire, supérieure à la température initiale, pour former le flux d’eau intermédiaire 22. De préférence, le flux d’eau intermédiaire 22 présente une température supérieure ou égale à 700°C, par exemple comprise entre 700°C et 800°C. Pour chaque empilement 10, le dispositif de chauffage secondaire 20 correspondant reçoit une fraction 24 respective du flux d’eau intermédiaire 22. En outre, chaque dispositif de chauffage secondaire 20 porte la fraction 24 respective reçue du flux d’eau intermédiaire 22 à la température finale, c’est-à-dire la température de fonctionnement nominale de l’empilement 10 correspondant. Le flux d’eau chauffée 8 alimentant ledit empilement 10, pour la production de dihydrogène, est ainsi formé. De préférence, l’élévation en température induite par chaque dispositif de chauffage 20 donné est comprise entre 20°C et 120°C. Bien entendu l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits. Installation (2) de production de dihydrogène comportant : un système de chauffage (6) configuré pour recevoir un flux d’eau d’entrée (16) présentant une température initiale et pour fournir, en sortie, au moins un flux d’eau chauffée (8) présentant une température supérieure à la température initiale ; et un système électrochimique (4) fluidiquement raccordé en sortie du système de chauffage (6) pour recevoir chaque flux d’eau chauffée (8), le système électrochimique (4) comportant une pluralité d’empilements (10) de cellules électrochimiques (11), chaque empilement étant configuré pour produire au moins un flux de gaz de sortie (12) à partir d’un flux d’eau chauffée respectif, l’au moins un flux de gaz de sortie comportant du dihydrogène ; l’installation (2) étant caractérisée en ce que le système de chauffage comporte : un dispositif de chauffage primaire (18) configuré pour porter le flux d’eau d’entrée à une température intermédiaire supérieure à la température initiale, pour former un flux d’eau intermédiaire (22) ; et une pluralité de dispositifs de chauffage secondaires (20), chacun associé à un empilement (10) correspondant de la pluralité d’empilements, chaque dispositif de chauffage secondaire (20) étant fluidiquement connecté en sortie du dispositif de chauffage primaire (18) pour recevoir une fraction respective du flux d’eau intermédiaire, et étant configuré pour porter ladite fraction respective reçue à une température finale égale à une température de fonctionnement nominale de l’empilement (10) correspondant, supérieure à la température intermédiaire, pour former le flux d’eau chauffée (8) alimentant ledit empilement (10). Installation (2) selon la revendication 1, dans laquelle le dispositif de chauffage primaire (18) est un dispositif de chauffage passif configuré pour assurer un échange thermique entre le flux d’eau d’entrée (16) et l’au moins un flux de gaz de sortie (12). Installation (2) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le système électrochimique (4) comprend, pour au moins un empilement de la pluralité d’empilements, une enceinte thermiquement isolante respective formant une boîte chaude individuelle (14), ledit empilement (10) et le dispositif de chauffage secondaire (20) correspondant étant agencés dans ladite boîte chaude individuelle (14). Installation (2) selon la revendication 3, dans laquelle le dispositif de chauffage primaire (18) est agencé à l’extérieur de chaque boîte chaude individuelle (14). Installation (2) selon l’une quelconques des revendications 1 à 4, dans laquelle le système électrochimique (4) comprend, pour au moins deux empilements de la pluralité d’empilements, une enceinte thermiquement isolante commune correspondante, formant une boîte chaude collective (34), lesdits au moins deux empilements (10) et chaque dispositif de chauffage secondaire (20) correspondant étant agencés dans ladite boîte chaude collective (34). Installation (2) selon la revendication 5, dans laquelle chaque empilement de la boîte chaude collective (34) est agencé, conjointement au dispositif de chauffage secondaire (20) associé, dans une enceinte (36) respective disposée dans la boîte chaude collective (34) correspondante. Installation (2) selon la revendication 5 ou 6, dans laquelle le dispositif de chauffage primaire est agencé à l’extérieur de la boîte chaude collective (34). Installation (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle chaque dispositif de chauffage secondaire (20) comprend : une conduite (26) pour la circulation de la fraction respective du flux d’eau intermédiaire ; et un organe de chauffage (28) configuré pour transformer une première source d’énergie en énergie thermique, et pour appliquer l’énergie thermique produite à la conduite. Installation (2) selon la revendication 8, dans laquelle l’organe de chauffage (28) comporte une résistance électrique bobinée autour d’un manchon agencé autour de la conduite correspondante, le manchon étant, de préférence, en céramique. Installation (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle le système électrochimique (4) est un électrolyseur à oxyde solide, chaque flux d’eau chauffée comprenant de l’eau en phase vapeur.