Partie 2. Unité d’Electrolyse, Méthanation, Oxy-combustion (EMO)
2.2 Procédé d’électrolyse basse température
2.2.6 Architecture et modèle statique de l’ilot électrolyseur de 10 MW
2.2.6.3 Ilot électrolyseur de 10 MW
Figure 2.13– Modèle statique d'un ilot électrolyseur PEM de 10 MWt
L’architecture modulaire de l’électrolyseur multi-mégawatt ne diffère par des machines actuellement disponibles. Néanmoins, pour répondre aux besoins de l’unité EMO, la mise à l’échelle des composants du système est à prévoir notamment en ce qui concerne le refroidissement et la purification des gaz produits.
La Figure 2.16 montre le flowsheet du modèle statique de l’ilot électrolyseur capable de produire de l’hydrogène et de l’oxygène aux conditions de stockage souterrain (i.e. 20 bars et 35°C). Les paramètres propres au cas de référence sont récapitulés dans le Tableau 2.2.
Tableau 2.2– Paramètres du cas de référence de l'ilot électrolyseur 10 MWt
Nombre de cellule 676 cellules
Densité de courant nominale 10,0 A.cm-2
Tension de la cellule 2,02 V Surface active de la membrane 1000 cm2
Température sortie du stack 85 °C
Pression anodique 19 bar
Pression cathodique 20 bar
Rendement du redresseur 97 %
Rendement des pompes 40 %
Débit de circulation 𝑵̇𝑯𝟐𝑶,𝒊𝒏,𝒂𝒏 600 m
3/h
Débit de circulation 𝑵̇𝑯𝟐𝑶,𝒊𝒏,𝒄𝒂 440 m3/h
Les courbes de polarisation à différentes températures ont été reproduites à partir des données correspondant aux membranes de nouvelle génération (voir Figure 2.11). Le modèle de régression permet de prédire le point fonctionnement du système à différentes conditions opératoires avec une erreur maximale de ±38 mV (voir annexe B). Ainsi, la Figure 2.14 présente les courbes de polarisation d’une cellule du stack électrolyseur pour des températures entre 65°C et 100°C. L’élévation de la température de fonctionnement permet de réduire les surtensions qui apparaissent dans la cellule, notamment les surtensions ohmiques. De ce fait, nous choisissons d’opérer l’ilot électrolyseur à une température de 85°C.
La présence des surtensions au cours du fonctionnement du système impose le refroidissement de ce dernier. En fonction de la puissance opératoire, la quantité de chaleur dégagée par le stack varie ainsi que la différence de température entre son entrée et sa sortie comme exprimé par l’équation (2.16). La Figure 2.15 montre la variation de la quantité de chaleur dégagée du stack en fonction de la densité de courant pour une température d’entrée fixée à 75°C. En régime nominal, le stack dégage environ 3,7 MWt ce qui correspond à une
température opératoire de 84,6°C pour la température d’entrée choisie.
En fonction des besoins en refroidissement du système, les échangeurs de chaleur ont été dimensionnés convenablement afin de déterminer leurs caractéristiques de transfert thermique (Tableau 2.3). Pour le refroidissement du stack, un échangeur de type tubes et calandre (HE600 sur la Figure 2.13) a été choisi étant donné l’importance des flux de matière en jeu. Le refroidissement des gaz produits se fait à travers des échangeurs à plaque (HE610 et HE620). L’aéroréfrigérant (ACHE), installé pour produire l’eau de refroidissement à 25°C, est équipé de 4 ventilateurs consommant environ 140 kWh d’électricité.
Figure 2.15– Température et puissance thermique dégagée par le stack électrolyseur en fonction de la densité de courant (température d’entrée fixée à 75°C)
Echangeur de chaleur ACHE HE600 HE610 HE620
Puissance thermique [MW] 6,75 6,18 0,46 0,88
Surface d’échange [m2] 12080 63,26 2,19 3,28
Coefficient d’échange [kW/m².K] 0,039 4,326 0,85 0,85 Tableau 2.3– Dimensionnement thermique des échangeurs de chaleur
A l’issu de à cet ilot, plus de 2800 Nm3.h-1 d’hydrogène sont produits avec une pureté de 99,5%
après une phase de condensation à 35°C. L’oxygène est produit à la moitié du débit d’hydrogène et atteint une pureté de 98,9% après refroidissement et condensation. Contrairement aux machines commercialisées, les gaz produits par l’ilot électrolyseur ne nécessitent pas de passer par des étapes de purification supplémentaires tant qu’une étape
intermédiaire de stockage tampon n’est pas requise. En effet, les compositions de ces gaz restent convenables pour qu’ils soient directement consommés dans les procédés respectifs de l’unité EMO. Ceci a pour conséquence de réduire la consommation de l’ilot et de contribuer à accroitre son efficacité globale atteint dans le cas de référence 69,3% (+4,3 points par rapport à la machine de 70 kW).
Figure 2.16– Diagramme de Sankey d'un ilot électrolyseur PEM de 10 MWt
La Figure 2.16 montre le diagramme de la répartition des flux énergétique au sein de l’îlot qui consomme 14,4 MWe d’électricité de source renouvelable pour produire 10 MWt d’hydrogène.
La majorité de cette puissance est consommée par le stack PEM (13,7 MWe dont 27% dégagé
sous forme de chaleur). Les pertes dues à la conversion du courant continu en courant discontinu au sein du redresseur sont fixées à 3% de la puissance consommée par le stack pour le cas de référence.
Figure 2.17– Courbes de performance de l’îlot électrolyseur en fonction de la densité de courant appliquée
En s’éloignant du cas de référence, le comportement du système varie en fonction de la quantité produite d’hydrogène. La Figure 2.17 présente l’évolution de la puissance produite, de la consommation du système et de l’efficacité globale (le rapport des deux) en fonction du point opératoire du stack. Entre 4 et 10 A/cm² (40 et 100% de la puissance nominale), l’écart entre la consommation et la production se resserre avec la diminution de la densité de courant ce qui augmente donc l’efficacité énergétique.
Ceci est expliqué d’une part, par la proportionnalité existante entre la densité de courant et les surtensions dans le stack qui accroit la quantité de chaleur dégagée par le réacteur électrochimique au détriment de la quantité d’hydrogène produit. D’autre part, la consommation électrique des composants auxiliaires est légèrement réduite quand le système dégage moins de chaleur. En deçà de 4 A/cm² (40% de la puissance nominale), l’efficacité du système continue à baisser d’une manière plus accentué du fait que la part de consommation du redresseur devient plus importante quand la puissance de sortie s’éloigne de la puissance nominale (voir annexe C pour les détails du calcul du rendement du redresseur).
A l’échelle de l’unité EMO, 20 îlots électrolyseur de 10 MWt chacun seront utilisés ce qui
correspond à une puissance électrique totale d’environ 288 MWe en provenance de sources
renouvelables pour produire 56 500 Nm3.h-1 d’hydrogène et 28 460 Nm3.h-1 d’oxygène ; soit
une consommation spécifique de 5,1 kWh/Nm3 (6% de consommation en moins par rapport à
l’électrolyseur PEM 70 kWt).