Brevet FR3163666A1 — publié le 20251226

L’invention concerne une installation (4) de production de dihydrogène comportant : une ligne (12) de production d’un flux de sortie (16) de vapeur à partir d’un flux d’entrée (10) d’eau liquide ; et un dispositif électrochimique (14) configuré pour produire du dihydrogène à partir du flux de sortie (16), la ligne (12) de production de vapeur comportant : un étage de détente (18) configuré pour : abaisser une pression du flux d’entrée (10) jusqu’à une première valeur de pression ; et assurer un échange de chaleur entre le flux d’entrée (10) et une source primaire de chaleur (22), externe à l’installation (4), afin de vaporiser l’eau du flux d’entrée (10) et délivrer un flux intermédiaire de vapeur (23) ; un étage de compression (20) configuré pour amener le flux intermédiaire de vapeur à une deuxième valeur de pression strictement supérieure à la première valeur de pression. Figure 1 Installation de production de dihydrogène et infrastructure associée La présente invention concerne une installation de production de dihydrogène comportant : une ligne de production de vapeur configurée pour produire, à partir d’un flux d’entrée comprenant de l’eau liquide, un flux de sortie comprenant de la vapeur d’eau ; et un dispositif électrochimique raccordé en sortie de la ligne de production de vapeur et configuré pour produire du dihydrogène à partir du flux de sortie disponible en sortie de la ligne de production de vapeur. L’invention concerne également une infrastructure comprenant une telle installation. 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 tels systèmes SOE sont configurés pour produire du dihydrogène à partir d’un flux d’entrée de vapeur d’eau. 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 repose en grande partie sur l’utilisation de la chaleur fatale perdue par une installation industrielle en disposant, par exemple perdue au niveau d’une sortie d’évacuation correspondante (cheminée, conduit d’évacuation, etc.). Plus précisément, la chaleur fatale prélevée au niveau de l’installation homologue est utilisée, dans l’installation de production de dihydrogène associée, pour vaporiser un flux d’entrée d’eau liquide en un flux de vapeur d’eau destinée à être hydrolysée par les systèmes d’électrolyse SOE de ladite installation de production de dihydrogène. Néanmoins, les installations classiques de production de dihydrogène à systèmes d’électrolyse SOE ne donnent pas entière satisfaction. En effet, comme indiqué précédemment, les réactions d’hydrolyse mises en œuvre par les systèmes d’électrolyse SOE requièrent l’utilisation de vapeur d’eau. Par conséquent, les installations homologues auxquelles les installations de production de dihydrogène actuelles sont susceptibles d’être associées sont limitées à celle dont la chaleur fatale est disponible à une température supérieure ou égale à 100°C, voire supérieure ou égale à 150°C. Il en résulte une limitation sur les installations homologues auxquelles est susceptible d’être associée une installation de production de dihydrogène à systèmes d’électrolyse SOE, et donc sur les perspectives de développement de cette filière. 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 une installation de production de dihydrogène qui soit compatible avec un plus grand nombre d’installations homologues. Un autre but de l’invention est de proposer une installation de production de dihydrogène qui soit compatible avec des installations dont la chaleur fatale est disponible à une température inférieure ou égale à 150°C, voire inférieure ou égale à 100°C. À cet effet, l’invention concerne une installation de production de dihydrogène du type précité, dans laquelle la ligne de production de vapeur comporte : un étage de détente configuré pour : abaisser une pression du flux d’entrée jusqu’à une première valeur de pression ; et assurer un échange de chaleur entre le flux d’entrée et une source primaire de chaleur, externe à l’installation, afin de vaporiser l’eau du flux d’entrée et délivrer un flux intermédiaire de vapeur ; un étage de compression configuré pour amener le flux intermédiaire de vapeur à une deuxième valeur de pression strictement supérieure à la première valeur de pression, afin de produire le flux de sortie. En effet, la température nécessaire au passage de l’eau liquide en phase vapeur décroît avec la pression. Par conséquent, grâce à l’étage de détente, l’utilisation de la chaleur fatale disponible à une température inférieure ou égale à 150°C, voire inférieure ou égale à 100°C, est possible. Il en résulte qu’un plus grand nombre d’installations homologues est susceptible d’être utilisé pour un fonctionnement conjoint avec une telle installation de production de dihydrogène. En outre, les inventeurs ont découvert l’effet surprenant selon lequel un bilan énergétique d’une telle transformation est très favorable, dans la mesure où c’est l’apport de chaleur latente de vaporisation qui représente la plus grande partie d’énergie requise lors d’une telle transformation. Or, grâce à l’invention, la baisse de pression entraîne une baisse de la chaleur latente. De façon avantageuse, l’installation de production de dihydrogène selon l’invention présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toute combinaison techniquement possible : l’étage de détente comprend : une chambre de détente configurée pour abaisser la pression du flux d’entrée jusqu’à la première valeur de pression ; et un échangeur thermique configuré pour assurer un échange de chaleur entre le flux d’entrée disponible en sortie de la chambre de détente et la source primaire de chaleur ; la première valeur de pression est inférieure à une pression atmosphérique ; la deuxième valeur de pression est supérieure ou égale à la pression atmosphérique ; l’étage de compression est, en outre, configuré pour assurer un échange de chaleur entre le flux intermédiaire et une source secondaire de chaleur ; la source secondaire de chaleur est une source de chaleur électrique ; le dispositif électrochimique est un électrolyseur à oxyde solide. Selon un autre aspect de l’invention, il est proposé une infrastructure comprenant une installation de production de dihydrogène telle que définie ci-dessus et une deuxième installation distincte de l’installation de production de dihydrogène, une sortie d’évacuation de la deuxième installation étant raccordée à l’étage de détente pour former la source primaire de chaleur. 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 d’une infrastructure selon l’invention. 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 infrastructure 2 selon l’invention est illustrée par la FIG. 1 . L’infrastructure 2 comprend une installation 4 de production de dihydrogène (dite « installation de production ») et une deuxième installation 6 (encore appelée « installation homologue »), distincte de l’installation de production 4. L’installation homologue 6 est, par exemple, une installation industrielle, telle qu’une usine de production ou de transformation d’acier, une usine de production de ciment, une usine de production de verre, une usine d’incinération, une usine de production chimique ou pétrochimique, une usine de valorisation thermique par géothermie, etc. Comme illustré par la figure, l’installation homologue 6 comprend une sortie d’évacuation 8, au niveau de laquelle de la chaleur fatale est disponible. De préférence, la température au niveau de la sortie d’évacuation 8 de l’installation homologue 6 est inférieure ou égale à 150°C, par exemple comprise entre 50°C et 110°C. Sur cette figure, les flèches noires sont représentatives de flux comprenant de l’eau à l’état liquide, tandis que les flèches blanches sont représentatives de flux comprenant de l’eau en phase vapeur. L’installation de production 4 est configurée pour produire du dihydrogène à partir d’un flux d’entrée 10 comprenant de l’eau liquide. L’installation de production 4 comporte une ligne 12 de production de vapeur et un dispositif électrochimique 14 fluidiquement raccordé en sortie de la ligne 12 de production de vapeur. Plus précisément, la ligne 12 de production de vapeur est configurée pour produire un flux de sortie 16 comprenant de la vapeur d’eau. En outre, le dispositif électrochimique 14 est configuré pour produire du dihydrogène à partir du flux de sortie 16 reçu en provenance de la ligne 12 de production de vapeur. 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. Ligne de production de vapeur 12 Comme cela apparaît sur la figure, la ligne 12 de production de vapeur comprend un étage de détente 18 et un étage de compression 20 fluidiquement connecté en sortie de l’étage de détente 18. Etage de détente 18 L’étage de détente 18 est connecté à la sortie d’évacuation 8 de l’installation homologue 6, de sorte que la sortie d’évacuation 8 forme une source primaire de chaleur 22, externe à l’installation de production 4. L’étage de détente 18 est configuré pour abaisser une pression du flux d’entrée 10 jusqu’à une première valeur de pression. En outre, l’étage de détente 18 est configuré pour assurer un échange de chaleur entre le flux d’entrée 10 et la source primaire de chaleur 22 (en l’occurrence la sortie d’évacuation 8 de l’installation homologue 6), afin de vaporiser l’eau du flux d’entrée 10, et délivrer un flux intermédiaire de vapeur 23 comprenant de la vapeur d’eau. De préférence, l’étage de détente 18 comprend une chambre de détente 24 et un échangeur thermique 26 fluidiquement connectés entre eux. Plus précisément, la chambre de détente 24 est configurée pour recevoir le flux d’entrée 10, et pour abaisser la pression du flux d’entrée 10 jusqu’à la première valeur de pression. Avantageusement, la première valeur de pression est inférieure à une pression atmosphérique. Une telle caractéristique est avantageuse dans la mesure où elle contribue à abaisser la température nécessaire pour vaporiser le flux d’entrée 10, une baisse de la pression de l’eau se traduisant par une baisse de la température nécessaire à son ébullition. De préférence, la première valeur de pression est dépendante de la température de la source primaire de chaleur 22 et est comprise, par exemple, entre 0,2 bar et 0,9 bar absolus. Par exemple, la chambre de détente 24 comporte une cuve 28 à laquelle est fluidiquement reliée une pompe 30. Dans ce cas, la pompe 30 est configurée pour, en fonctionnement, réduire la pression dans la cuve 28 par un déplacement de matière de l’intérieur de la cuve 28 vers l’extérieur de la cuve 28. En outre, l’échangeur thermique 26 est configuré pour assurer un échange de chaleur entre le flux disponible en sortie de la chambre de détente 24 (c’est-à-dire le flux d’entrée dont la pression est égale à la première valeur de pression) et la source primaire de chaleur 22, afin de produire le flux intermédiaire de vapeur 23 à partir du flux d’entrée 10. En particulier, l’échangeur thermique 26 comporte : une entrée froide EF, fluidiquement connectée en sortie de la chambre de détente 24 pour recevoir le flux obtenu après avoir porté la pression du flux d’entrée 10 à la première valeur de pression ; et une sortie chaude SC pour délivrer le flux intermédiaire de vapeur 23. En outre, l’échangeur thermique 26 comprend une partie 32 de collecte de chaleur pour prélever, à la source primaire de chaleur 22, la chaleur nécessaire à la vaporisation du flux circulant de l’entrée froide EC vers la sortie chaude EF. En particulier, la partie 32 de collecte de chaleur est un conduit fluidiquement connecté à la sortie d’évacuation 8 de l’installation homologue 6. En alternative, l’étage de détente 18 est configuré de sorte qu’un échange thermique se fasse directement avec la cuve 28, au moyen d’un évaporateur. Etage de compression 20 L’étage de compression 20 est configuré pour amener le flux intermédiaire de vapeur 23 à une deuxième valeur de pression strictement supérieure à la première valeur de pression, afin de produire le flux de sortie 16. De préférence, la deuxième valeur de pression est supérieure ou égale à la pression atmosphérique Avantageusement, l’étage de compression 20 est, en outre, configuré pour assurer un échange de chaleur entre le flux intermédiaire de vapeur 23 et une source secondaire de chaleur (non représentée). Une telle caractéristique est avantageuse, dans la mesure où, en fonction de la température de la vapeur dans le flux intermédiaire de vapeur 23, l’augmentation de pression dudit flux intermédiaire de vapeur 23 au niveau de l’étage de compression 20 est susceptible de placer ladite vapeur dans un état thermodynamique favorable à sa condensation. La source secondaire de chaleur permet ainsi de maintenir la vapeur dans un état de saturation voire de surchauffe, éliminant ainsi le risque de condensation. Par exemple, la source secondaire de chaleur est une source de chaleur électrique, ou encore tout autre type de source de chaleur. Dispositif électrochimique 14 Le dispositif électrochimique 14 est raccordé en sortie de la ligne de production de vapeur 12 pour recevoir le flux de sortie 16. En particulier, une entrée 14E du dispositif électrochimique 14 est fluidiquement connectée à une sortie de l’étage de compression 20. En outre, le dispositif électrochimique 14 est configuré pour produire du dihydrogène à partir du flux de sortie 16 disponible en sortie de la ligne de production de vapeur 12. Par exemple, le dispositif électrochimique 14 est un électrolyseur, de préférence un électrolyseur à oxyde solide. En particulier, le dispositif électrochimique 14 est configuré pour produire au moins un flux résultant 36 à partir du flux de sortie 16. Notamment, l’au moins un flux résultant 36 comprend un premier flux résultant 38 comportant le dihydrogène, évacué à travers une première conduite d’évacuation 40. De préférence, l’au moins un flux résultant 36 comprend également un deuxième flux résultant 42 comportant du dioxygène, évacué à travers une deuxième conduite d’évacuation 44. Fonctionnement Le fonctionnement de l’infrastructure 2 va maintenant être décrit. Au cours de son fonctionnement, l’installation homologue 6 produit de la chaleur fatale, disponible au niveau de sa sortie d’évacuation 8, formant la source primaire de chaleur 22. En outre, l’installation de production 4 reçoit le flux d’entrée 10 comprenant de l’eau liquide. Au sein de l’étage de détente 18 de la ligne 12 de production de vapeur de l’installation de production 4, et plus précisément dans la chambre de détente 24, la pression du flux d’entrée 10 est abaissée jusqu’à la première valeur de pression. Puis, un échange de chaleur est réalisé au niveau de l’échangeur thermique 26, entre, d’une part, le flux disponible en sortie de la chambre de détente 24 et, d’autre part, la source primaire de chaleur 22, afin de produire le flux intermédiaire de vapeur 23. Puis, le flux intermédiaire de vapeur 23 est acheminé vers l’étage de compression 20. Puis, au sein de l’étage de compression 20, la pression du flux intermédiaire de vapeur 23 est amenée à la deuxième valeur de pression, strictement supérieure à la première valeur de pression, afin de produire le flux de sortie 16 comprenant de la vapeur d’eau. Puis, le flux de sortie 16 est acheminé vers l’entrée 14E du dispositif électrochimique 14. Le dispositif électrochimique 14 produit alors du dihydrogène à partir du flux de sortie 16 reçu en provenance de la ligne 12 de production de vapeur. Plus précisément, le dispositif électrochimique 14 produit au moins un flux résultant 36 à partir du flux de sortie 16. Notamment, l’au moins un flux résultant 36 comprend un premier flux résultant 38 comportant le dihydrogène, évacué à travers une première conduite d’évacuation 40. Bien entendu l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits. Installation (4) de production de dihydrogène comportant : une ligne (12) de production de vapeur configurée pour produire, à partir d’un flux d’entrée (10) comprenant de l’eau liquide, un flux de sortie (16) comprenant de la vapeur d’eau ; et un dispositif électrochimique (14) raccordé en sortie de la ligne (12) de production de vapeur et configuré pour produire du dihydrogène à partir du flux de sortie (16) disponible en sortie de la ligne (12) de production de vapeur, l’installation (4) de production de dihydrogène étant caractérisée en ce que la ligne (12) de production de vapeur comporte : un étage de détente (18) configuré pour : abaisser une pression du flux d’entrée (10) jusqu’à une première valeur de pression ; et assurer un échange de chaleur entre le flux d’entrée (10) et une source primaire de chaleur (22), externe à l’installation (4), afin de vaporiser l’eau du flux d’entrée (10) et délivrer un flux intermédiaire de vapeur (23) ; un étage de compression (20) configuré pour amener le flux intermédiaire de vapeur (23) à une deuxième valeur de pression strictement supérieure à la première valeur de pression, afin de produire le flux de sortie (16). Installation (4) selon la revendication 1, dans laquelle l’étage de détente (18) comprend : une chambre de détente (24) configurée pour abaisser la pression du flux d’entrée jusqu’à la première valeur de pression ; et un échangeur thermique (26) configuré pour assurer un échange de chaleur entre le flux d’entrée disponible en sortie de la chambre de détente et la source primaire de chaleur. Installation (4) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la première valeur de pression est inférieure à une pression atmosphérique. Installation (4) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la deuxième valeur de pression est supérieure ou égale à la pression atmosphérique. Installation (4) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle l’étage de compression (20) est, en outre, configuré pour assurer un échange de chaleur entre le flux intermédiaire (23) et une source secondaire de chaleur. Installation (4) selon la revendication 5, dans laquelle la source secondaire de chaleur est une source de chaleur électrique. Installation (4) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le dispositif électrochimique (14) est un électrolyseur à oxyde solide. Infrastructure (2) comprenant une installation (4) de production de dihydrogène selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 et une deuxième installation (6) distincte de l’installation (4) de production de dihydrogène, une sortie d’évacuation (8) de la deuxième installation (6) étant raccordée à l’étage de détente (18) pour former la source primaire de chaleur (22).