La présente invention est relative à une installation de production d’hydrogène par électrolyse de l’eau et à un procédé de production d’hydrogène mettant en œuvre ladite installation.

Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, à la fourniture d'hydrogène en vue de son stockage, par exemple sous forme pressurisée, ou à son utilisation dans une unité, de type raffinerie, de transformation de l’hydrogène en un autre vecteur chimique tel que le méthanol, l’ammoniac, ou des carburants (tel que le carburant durable d’aviation - en anglais sustainable aviation fuel SAF) ou à son exportation vers un système de pipeline, ou à sa consommation en tant que gaz combustible dans une pile à combustible ou dans un brûleur.

On connaît la nécessité de réduire notre production de gaz à effet de serre et d'utiliser des énergies renouvelables. L'hydrogène est une alternative aux hydrocarbures car il s'agit d'une source d'énergie facilement stockable, contrairement à l'électricité, et son oxydation dégage une énergie très importante (285 kJ/mole). On connaît plusieurs façons de produire de l’hydrogène ; la plus avantageuse consiste à électrolyser la molécule d'eau car il s'agit d'une réaction à haut rendement qui ne produit pas de CO2 contrairement aux procédés utilisés massivement que sont le reformage du méthane et d'hydrocarbures.

Les unités d’électrolyse sont actuellement composées d’un certain nombre de modules dans lesquels l’électrolyse a lieu ainsi qu’un nombre important d’équipements permettant son bon fonctionnement : électrolyseurs, ballons de séparation, pompes, refroidisseurs de gaz, refroidisseurs de liquides, tuyauteries, instrumentations... Les installations de production d’électrolyse à grande capacité sont donc conçues dans une approche modulaire : on met côte à côte, autrement dit en parallèle, un nombre important de petites unités d’électrolyse jusqu’à atteindre la quantité d’électrolyse voulue. Il en résulte un nombre d’équipements très important qui engendre :

- Une augmentation des risques HSE (Hygiène - Sécurité - Environnement), en particulier liés aux risques d’explosion dus à la présence d’hydrogène ;

- Une augmentation de la taille de l’installation et de l’occupation au sol de l’installation notamment due aux distances de sécurité à respecter entre les différents équipements mais également entre les équipements et l’environnement extérieur ; et

- Une augmentation du prix important de l’installation. Partant de là, un problème qui se pose est de fournir une installation améliorée de production d’hydrogène par électrolyse de l’eau, autrement dit une installation présentant un nombre réduit d’équipements.

Une solution de la présente invention est une installation de production d’hydrogène comprenant :

- Une série de n électrolyseurs 4 configurés pour électrolyser l’eau 1 et générer un mélange hydrogène-solution aqueuse 5, ladite série présentant une capacité globale supérieure à 40 MW,

- Un dispositif de séparation gaz-liquide 8 configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse 5 généré par la série de n électrolyseurs 4, et produire un flux d’hydrogène 9, et

- n lignes 7 configurées pour fournir le mélange hydrogène - solution aqueuse généré par les n électrolyseurs 4 au dispositif de séparation gaz-liquide 8.

Autrement dit, dans la solution selon l’invention un seul dispositif de séparation gaz- liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse (ou eau comprenant jusqu’à environ 40% massique de sels ; les sels étant de préférence de l’hydroxyde de potassium) contenue dans mélange hydrogène-solution aqueuse est associé à n modules d’électrolyse de l’eau.

De préférence, chaque électrolyseur consiste en un empilement de plusieurs cellules d’électrolyse pouvant être le plus probablement de type alcalin ou PEM (membrane échangeuse de protons - « proton exchange membrane » en anglais) montées en série, que l'on appelle communément un stack. Le stack est alimenté en courant continu par un système de distribution électrique dont la tension de sortie peut être réglable. D’autres types de cellules d’électrolyse peuvent être utilisées tels que les cellules AEM (membrane échangeuse d’anions - « anion exchange membrane » en anglais, les SOEC (cellules électrolytique à oxyde solide - « solid oxide electrolysis cells » en anglais, les PCEC (cellules électrochimique céramique protonique - « protonic ceramic electrochemical cell » en anglais). Plus généralement, tout type d’électrolyseur pourra être utilisé.

Par « capacité globale » de la série de n électrolyseurs, on entend le cumul des n capacités des n électrolyseurs.

Préférentiellement, la série de n modules d’électrolyse de l’eau présentera une capacité globale supérieure à 100MW, voire supérieure à plusieurs centaines de MW.

Typiquement, pour une capacité d’électrolyse d’environ 5MW par stack, « n » pourra être compris entre 8 et 200, de préférence entre 16 et 40.

Par le terme « lignes » on entend un ensemble de tuyauteries, de pompes et de vannes. Il va de soi que la série de n modules d’électrolyse de l’eau génère en plus de l’hydrogène de l’oxygène. Aussi avantageusement, l’installation comprendra un deuxième dispositif de séparation gaz-liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse (ou eau comprenant jusqu’à environ 40% massique de sels) contenue dans le mélange oxygène- solution aqueuse généré par la série de n électrolyseurs. On aura donc également n lignes 13 configurées pour fournir le mélange oxygène-solution aqueuse généré par les n électrolyseurs au deuxième dispositif de séparation gaz-liquide 14. L’oxygène 15 récupéré en sortie du deuxième dispositif de séparation gaz-liquide sera ensuite refroidi dans un refroidisseur 16 à une température comprise entre 30 et 40°C, puis collecté dans un système de collecte 19 ou sera plus généralement envoyé à l’atmosphère.

L’eau pourra être stockée dans un réservoir de stockage raccordé au circuit d’alimentation en eau en amont de la série de n électrolyseurs. Le circuit d'alimentation en eau peut être branché sur l'eau courante et comporte plusieurs unités de purification de l'eau, pouvant être de type différent (par exemple à résine et/ou à charbon actif) pour une meilleure purification. Par exemple, un capteur de conductivité monté sur le circuit d'alimentation en eau permet de vérifier en continu le degré de pureté de l'eau. L’utilisation d’analyseurs peut également permettre de suivre le niveau d’impureté en sel dans l’eau purifiée.

L’installation selon l’invention pourra comprendre des boucles de recyclage de la solution aqueuse entre les dispositifs de séparation gaz-liquide et la série de n électrolyseurs. Avantageusement chaque boucle de recyclage comprendra un refroidisseur afin de refroidir la solution aqueuse à une température inférieure à celle des électrolyseurs, de préférence à une température comprise entre 50 et 80°C, encore plus préférentiellement à une température comprise entre 60 et 70°C.

A la sortie de l’installation selon l’invention, l’hydrogène et l’oxygène sont conduits vers des circuits d’extraction. Par mesure de sécurité, ces circuits d’extraction peuvent être dotés de moyens d'évacuation des gaz, par exemple des soupapes ou évents, destinées à faire baisser instantanément la pression en cas de surpression ou d’explosion ou d’incendie.

Selon le cas, l’installation selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :

- le dispositif de séparation gaz-liquide 8 est connecté à une capacité supérieure à 40 MW, de préférence supérieure à 100MW ;

- le dispositif de séparation gaz-liquide 8 présente un inventaire H en hydrogène inférieur ou égal à 0.7nh avec :

- n le nombre d’électrolyseurs et, - h l’inventaire en hydrogène dans chaque dispositif de séparation gaz- liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse, pour une installation de capacité similaire à l’installation selon l’invention et comprenant n électrolyseurs associés en série à n dispositifs de séparation gaz-liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse ; par « inventaire » on entend le volume d’hydrogène accumulé dans le dispositif de séparation gaz-liquide ; il s’exprime généralement en m3 (mètre cube)

- le dispositif de séparation gaz-liquide 8 est en matériau choisi parmi l’acier carbone, l’acier inoxydable, l’acier duplex, le nickel, le nickel autocatalytique, ou l’acier carbone avec revêtement nickel.

- le dispositif de séparation gaz-liquide 8 est un ballon séparateur, pouvant contenir un interne de séparation; de préférence le ballon séparateur sera un ballon horizontal. En effet, un ballon horizontal présente l’avantage d’avoir une surface d’échange gaz/liquide plus importante tout en présentant un plus petit diamètre qu’un ballon vertical. Dans certains cas, et plus particulièrement quand la pression opératoire est faible, il est possible d’envisager un séparateur vertical;

- la série de n électrolyseurs 4 est comprise dans au moins un bâtiment B fermé et le dispositif de séparation gaz-liquide 8 est situé à l’extérieur de ce bâtiment B ; la taille du bâtiment B est ainsi réduite ;

- les lignes 7, et de préférence les vannes associées, sont situées au moins en grande partie à l’extérieur du bâtiment B ; ceci permet également de réduire la taille du bâtiment B et de limiter les risques de fuite d’hydrogène dans le bâtiment B. Par ailleurs en plaçant les vannes à l’extérieur du bâtiment B on facilite leur accessibilité.

- l’installation comprend un refroidisseur 10 configuré pour refroidir l’hydrogène 9 sortant du dispositif de séparation gaz-liquide 8; autrement dit un seul refroidisseur est associé à l’unique dispositif de séparation gaz-liquide 8 ; le refroidisseur peut être un refroidisseur de gaz à effet Peltier, mais plus généralement un échangeur à plaques ou un échangeur tubulaire.

- L’installation comprend une unité de purification 11 du flux d’hydrogène sortant du refroidisseur 10 ; Les impuretés à éliminer sont l’oxygène et l’eau principalement, ainsi que quelques traces de sels... L’unité de purification 11 pourra être choisie parmi : une unité de lavage à l’eau permettant d’éliminer les sels (par exemple l’hydroxyde de potassium), un refroidisseur couplé ou non à l’unité de lavage à l’eau et permettant de refroidir le flux à une température comprise entre 30 et 40°C, une unité de désoxygénation catalytique, et une unité de séchage (par exemple un séchage par refroidissement permettant de refroidir le flux à une température comprise entre 5 et 10°C ou séchage sur tamis moléculaire). De préférence, ces différentes unités seront ajoutées en série à l’installation. A noter que l’eau récupérée en sortie de séchage pourra être recyclée dans la série de n électrolyseurs. Une unité d’analyse pourra être placée en aval de cette(ces) unité(s) de purification afin de vérifier la concentration résiduelle en impuretés dans le flux d’hydrogène.

- l’installation comprend une unité de compression du flux d’hydrogène en aval de l’unité de purification 11. Le type de compresseur peut être alternatif, centrifuge ou à membrane principalement; A noter qu’une unité de compression peut également être placée en amont de l’unité de purification 11 ;

- l’installation comprend un mélangeur statique configuré pour mélanger l’hydrogène des n lignes en amont du dispositif de séparation gaz-liquide.

Le mélangeur statique permet d’avoir des tailles de bulles homogène et ainsi avoir une séparation facilitée dans le dispositif de séparation gaz-liquide.

La présente invention a également pour objet un procédé de production d’hydrogène mettant en œuvre une installation selon l’invention et comprenant : a) Une étape d’électrolyse de l’eau pour générer un mélange hydrogène-solution aqueuse 5 à l’aide une série de n électrolyseurs 4 présentant une capacité globale supérieure à 40 MW, b) Une étape d’acheminement du mélange hydrogène-solution aqueuse 5 généré à l’étape a) au dispositif de séparation gaz-liquide 8 via les n lignes 7, et c) Une étape de séparation gaz-liquide permettant d’éliminer la solution aqueuse contenue dans mélange hydrogène-solution aqueuse 5 généré à l’étape a) au moyen du dispositif de séparation gaz-liquide 8.

Selon le cas, le procédé selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :

- l’étape c) est réalisée à une température comprise entre 60 et 100°C.

- l’étape c) est réalisée à une pression comprise entre 1et 70 bar, de préférence entre 1 et 41 bar.

- Le procédé comprend une étape d) de refroidissement de l’hydrogène issu de l’étape c) à une température comprise entre 30 et 40°C

- Le procédé comprend une étape e) de purification de l’hydrogène refroidi à l’étape d).

- Le procédé comprend une étape f) de compression de l’hydrogène issu de l’étape e) à une pression supérieure à la pression du dispositif de séparation gaz-liquide 8, de préférence à une pression comprise entre 20 et 60 bar. En fonction des usages et notamment des applications de mobilité, une étape de compression à plusieurs centaines de bar est nécessaire.

- Le procédé comprend entre les étapes b) et c) une étape d’homogénéisation du flux d’hydrogène.

De l’oxygène étant également généré à l’étape a), le procédé selon l’invention comprendra de préférence une étape d’acheminement du mélange oxygène-solution aqueuse 6 généré à l’étape a) au deuxième dispositif de séparation gaz-liquide via les n lignes 13 dédiés et une étape de séparation gaz-liquide 14 permettant d’éliminer la solution aqueuse contenue dans mélange oxygène-solution aqueuse 6 généré à l’étape a) au moyen du dispositif de séparation gaz-liquide 14. Comme indiqué précédemment, l’oxygène 15 récupéré en sortie du deuxième dispositif de séparation gaz-liquide sera ensuite refroidi dans le refroidisseur 16 à une température comprise entre 30 et 40°C, puis collecté dans un système de collecte 19 ou sera plus généralement envoyé à l’atmosphère.

Avantageusement, le procédé selon l’invention comprendra une étape de recyclage des solutions aqueuses issues des dispositifs de séparation gaz-liquide 8 et 14 vers les électrolyseurs 4, de préférence après refroidissement des solutions aqueuses à une température comprise entre 50 et 80°C, encore plus préférentiellement à une température comprise entre 60 et 70°C.

Autrement dit, si on ne tient pas compte des éventuels refroidisseurs qui pourraient être utilisés à l’étape de purification 11 , l’installation comprend non pas 3n refroidisseurs comme cela est enseigné dans l’art antérieur mais uniquement trois refroidisseurs :

- un refroidisseur 10 configuré pour refroidir l’hydrogène 9 sortant du dispositif de séparation gaz-liquide 8 ;

- un refroidisseur 16 configuré pour refroidir l’oxygène 15 sortant du dispositif de séparation gaz-liquide 14 ; et

- un refroidisseur configuré pour refroidir les solutions aqueuses issues des dispositifs de séparation gaz-liquide 8 et 14.

L’installation va à présent être décrite plus en détail à l’aide de la figure 1 .

L’eau 1 provenant d’une alimentation ou d’un réservoir de stockage 2 est introduite dans une unité de traitement d’eau 3 (par traitement d’eau on entend préférentiellement une déminéralisation et une déionisation). L’eau purifiée est ensuite injecté dans le circuit de solution aqueuse pour être ensuite électrolysée dans une série de n électrolyseurs 4 (stacks), ladite série présentant une capacité globale supérieure à 40 MW. En sortant de la série de n électrolyseurs 4, un mélange hydrogène-solution aqueuse 5 et un mélange oxygène-solution aqueuse 6 sont récupérés. Le mélange hydrogène-solution aqueuse 5 est acheminé via n lignes 7 au premier dispositif de séparation gaz-liquide 8 configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse généré par la série de n électrolyseurs 4. Le flux d’hydrogène 9 sortant du dispositif de séparation gaz-liquide 8 est saturé en eau. Le flux d’hydrogène 9 est généralement refroidi à une température comprise entre 40 et 30°C dans un refroidisseur 10 avant d’être introduit dans une unité de purification 11. Le flux d’hydrogène 12 sortant de l’unité de purification 11 présente une pureté supérieure à 99,99%, de préférence supérieure à 99,999%. Le flux d’hydrogène 12 pourra éventuellement est comprimé à une pression supérieure à celle d’entrée dans l’unité de purification 11 , de préférence supérieure à 15 bar avant d’être stocké 18 ou acheminé dans un circuit d’extraction.

Le mélange oxygène-solution aqueuse 6 quant à lui est acheminé via n lignes 13 au second dispositif de séparation gaz-liquide 14 configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange oxygène-solution aqueuse 6 généré par la série de n électrolyseurs 4. Le flux d’oxygène 15 sortant du second dispositif de séparation gaz-liquide 14 est saturé en eau Le flux d’oxygène 15 est refroidi à une température comprise entre 40 et 30°C dans un refroidisseur 16. Le flux d’oxygène 17 sortant du refroidisseur 16 présente une pureté supérieure à 98 %, de préférence supérieure à 99% ; il sera stocké dans un système de collecte 19 ou acheminé vers un circuit d’extraction.

Enfin, la présente invention a également pour objet un procédé de fabrication de l’installation de production d’hydrogène selon l’invention, caractérisé en ce qu’il comprend : i) une étape de détermination de l’inventaire h en hydrogène dans chaque dispositif de séparation gaz-liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse, pour une installation de capacité similaire à l’installation selon l’invention et comprenant n électrolyseurs associés en série à n dispositifs de séparation gaz-liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse ; ii) une étape de dimensionnement du dispositif de séparation gaz-liquide 8 de l’installation selon l’invention de manière à ce que ledit dispositif de séparation gaz-liquide 8 présente un inventaire H inférieure à nh, de préférence inférieure à 70%nh.

Autrement dit, le dispositif de séparation gaz-liquide 8 présentera un inventaire en hydrogène plus faible qu’un ensemble de n dispositifs de séparation gaz-liquide de même capacité globale. Ceci a pour conséquence un risque HSE amoindri.

De préférence, le procédé de fabrication selon l’invention comprend également une étape d’installation des électrolyseurs dans au moins un bâtiment B (plusieurs bâtiments peuvent construits pour abriter les n électrolyseurs) et une étape de fabrication, préférentiellement sur site, du dispositif de séparation gaz-liquide 8 à l’extérieur du bâtiment B. Par « préférentiellement sur site » on entend que le dispositif de séparation gaz-liquide peut être fabriqué par assemblage de tous les équipements sur site par opposition à un « assemblage modulaire » qui correspond à la mise en place d’un ou plusieurs skids, fabriqués à l’extérieur du site. A noter que « par fabrication à l’extérieur » on entend une fabrication sur site en dehors du ou des bâtiments B.

L’installation selon l’invention ne comprend pas « n » dispositifs de séparation gaz- liquide configurés pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène- solution aqueuse généré par la série de n électrolyseurs 4, comme cela est proposé dans l’art antérieur, mais comprend un seul dispositif de séparation gaz-liquide 8 configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse 5 généré par la série de n électrolyseurs 4. Autrement dit, la solution selon l’invention permet de :

- réduire le nombre d’équipements ;

- limiter les risques HSE (Hygiène - Sécurité - Environnement) en diminuant les dispositifs accumulant l’hydrogène ;

- réduire la taille de l’installation et de l’occupation au sol. En effet, en réduisant le nombre d’équipements, les distances de sécurité sont également réduites ; et

- réduire le coût de l’installation.

A noter que la taille de l’installation et le coût de l’installation sont également minimisés par la diminution du nombre d’équipements : un seul dispositif de séparation gaz-liquide 8 configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse 5, un seul dispositif de séparation gaz-liquide 14 configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange oxygène-solution aqueuse 6, seulement trois refroidisseurs (le refroidisseur 10 configuré pour refroidir l’hydrogène 9 sortant du dispositif de séparation gaz-liquide 8, le refroidisseur 16 configuré pour refroidir l’oxygène 15 sortant du dispositif de séparation gaz-liquide 14 et le refroidisseur de la boucle de recyclage de la solution aqueuse), un nombre de pompes qui a été divisé par 5 comparé aux installations de l’art antérieur, sans compter la diminution du nombre de tuyauteries. Par « installations de l’art antérieur » on entend des installations qui comprennent n électrolyseurs, n dispositifs de séparation gaz-liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange hydrogène-solution aqueuse, n dispositifs de séparation gaz-liquide configuré pour éliminer la solution aqueuse contenue dans le mélange oxygène-solution aqueuse, 3n refroidisseurs, ainsi que le nombre associé de pompes (typiquement une quinzaine) et de tuyauteries. Aussi, si on comptabilise le nombre total d’équipements on remarque que celui-ci a été divisé au moins par trois dans l’installation selon l’invention. De là, comparé à une installation selon l’art antérieur l’installation selon l’invention présente un bâtiment B dont la hauteur a été réduite d’au moins 25%, et dont l’empreinte au sol a été divisée entre 2 et 5 fois. Ceci a notamment pour conséquence un renouvellement d’air du bâtiment facilité. Concernant l’empreinte globale au sol (empreinte au sol du bâtiment et des autres équipements dont les dispositifs de séparation gaz-liquide) celle-ci a été également réduite de 10 à 30%.