L'idée est basée sur 3 concepts existants :
A. L'électrolyse à haute température qui nécessite deux fois moins d'électricité (voir 7.3).
B. La mise en réserve de la chaleur à haute température dans des sels fondus (voir 7.2), chaleur récupérée lors du fonctionnement en mode pile et restituée lors du fonctionnement en mode électrolyse.
C. L'utilisation de l'acide formique comme réserve d'hydrogène (voir 7.1 ).
1. Électrolyse.
L'électrolyse de H2O, par exemple dans un électrolyseur SOFC, à 1.000 °K (727 °C), exige un apport en électricité de 193 KJ/mole (voir 7.3) et un apport en chaleur pour maintenir la température élevée souhaitée.
2. Pile.
D'autre part, une pile SOFC peut atteindre un rendement électrique de 60 à 70%, d'où :
énergie électrique produite par la pile =
245 x 0,7 = 171 KJ/mole (si rendement de 70%)
245 x 0,6 = 147 KJ/mole (si rendement de 60%)
3. Taux de restitution de l'énergie électrique.
énergie électrique produite par la pile / énergie dépensée pour l'électrolyse =
171 / 193 = 0,886. (si rendement de 70%)
147 / 193 = 0,762. (si rendement de 60%)
NB : 1) le rendement global serait très élevé puisque la plus grosse partie de la chaleur est récupérée,
2) par comparaison, les stations de turbinage et de pompage (STEP) ont un taux de restitution d'environ 0,75.
4. Autre source d'hydrogène.
Par vaporeformage du méthane contenu dans le biogaz.
(1) vaporeformage du méthane : CH4 + H2O -> CO + 3H2 (deltaH = + 206 KJ/m)
(Conditions : 850 à 950°C et 20 à 30 bars)
(2) réaction avec CO : CO + H2O -> CO2 + H2 (deltaH = - 41 KJ/m)
(totale à partir de 250°C)
Réaction globale : (1) + (2) : CH4 + 2H2O -> CO2 + 4H2 (deltaH = 165 KJ/m)
Pour tenir compte du CO2 contenu dans le biogaz, on peut écrire :
CO2 + CH4 + 2H2O -> 2CO2 + 4H2 (deltaH = 165 KJ/m)
Il pourra donc y avoir formation de 4 HCOOH, en prélevant 2 CO2 dans la réserve de CO2.
5. Chaleur haute température (sels fondus).
Enthalpie de dissociation de H2O vapeur = 245 KJ/mole.
Energie à fournir = 245/0,9 = 272 KJ/mole.
Chaleur à fournir = 272 - 193 = 79 KJ/mole.
Il faut ajouter, si on considère les échanges de chaleur :
a) la différence entre la chaleur de vaporisation de H2O (41 KJ/mole) et la chaleur de réaction (32 KJ/mole), soit 9 KJ/mole,
b) la chaleur pour augmenter la température de H2O vapeur de 543°K(soit 270°C, t° de saturation de la vapeur d'eau à 50 bars) à 1000°K, soit 20 KJ/mole.
Chaleur à fournir par la réserve de sels fondus, pour l'électrolyse :
79 + 9 + 20 = 108 KJ/mole.
Chaleur à recevoir de la pile :
0,3 x 245 = 74 KJ/mole (si rendement de 70%)
0,4 x 245 = 98 KJ/mole (si rendement de 60%)
Mais il faut déduire 7 KJ/mole, pour la compensation concernant l'échange de chaleur en Z et Y, soit :
67 KJ/mole (si rendement de 70%)
91 KJ/mole (si rendement de 60%)
Pour le biogaz :
chaleur à fournir par la réserve de sels fondus (pour le vaporeformage du méthane) : 165 KJ/mole
chaleur à recevoir (en mode pile) :
4 x 67 = 268 KJ/mole (si rendement de 70%)
4 x 91 = 364 KJ/mole (si rendement de 60%)
6. Avantages.
1. Utiles pour:
a) réguler la variabilité des énergies renouvelables (éolien, photovoltaïque)
b) assurer la consommation supplémentaire pendant les heures de pointe.
2. Elles deviennent de véritables centrales alimentées par:
a) les énergies renouvelables dans nos régions,
b) le biogaz (converti en acide formique)
c) centrales solaires à concentration situées dans d'autres régions (le CO2 est envoyé dans ces zones et, en même temps, l'acide formique est reçu avec moins de pertes que le transport d'électricité par lignes).
3. Ces mini-centrales serviraient également :
a) pour les véhicules qui apportent le CO2 liquide et repartent avec de l'acide formique (ils ne rejettent donc pas de CO2)
b) l'industrie chimique (fourniture de CO2 ou d'acide formique).
4. La liaison de ces mini-centrales avec un tuyau double (acide formique / CO2) permet une flexibilité totale en fournissant des points de prélèvement pour les stations-service et l'industrie.
7. Notes.
1. Des brevets ont été déposés par Gabor Laurenczy et ses collègues de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).
2. Ce système est utilisé dans les centrales solaires à concentration pour fournir de l'électricité la nuit grâce à la chaleur accumulée pendant le jour.
3. (Next: ineris.fr RAPPORT D'ÉTUDE 10/06/2008)
Changements dans la quantité d'énergie nécessaire pour l'électrolyse de l'eau
fonction de la température:
Température (K) Energie (kJ / mol)
298 405
400 380
1000 193
1200 165
4. (Suivant: AFHYPAC)
"Electrolyse à haute température: Cette technologie est le résultat direct des développements de la pile à combustible de type SOFC, fonctionnant dans la plage de 650 à 1000 ° C.
Elle se révèle intéressante si elle fournit à la fois de l'électricité et de la chaleur pour maintenir la température souhaitée, les performances peuvent alors être supérieures à 80%."
5. Un système de production d'hydrogène par électrolyse de vapeur d'eau à haute température a été validé par le CEA Liten. Le système a un rendement de 90%.
2. Pile.
D'autre part, une pile SOFC peut atteindre un rendement électrique de 60 à 70%, d'où :
énergie électrique produite par la pile =
245 x 0,7 = 171 KJ/mole (si rendement de 70%)
245 x 0,6 = 147 KJ/mole (si rendement de 60%)
3. Taux de restitution de l'énergie électrique.
énergie électrique produite par la pile / énergie dépensée pour l'électrolyse =
171 / 193 = 0,886. (si rendement de 70%)
147 / 193 = 0,762. (si rendement de 60%)
NB : 1) le rendement global serait très élevé puisque la plus grosse partie de la chaleur est récupérée,
2) par comparaison, les stations de turbinage et de pompage (STEP) ont un taux de restitution d'environ 0,75.
4. Autre source d'hydrogène.
Par vaporeformage du méthane contenu dans le biogaz.
(1) vaporeformage du méthane : CH4 + H2O -> CO + 3H2 (deltaH = + 206 KJ/m)
(Conditions : 850 à 950°C et 20 à 30 bars)
(2) réaction avec CO : CO + H2O -> CO2 + H2 (deltaH = - 41 KJ/m)
(totale à partir de 250°C)
Réaction globale : (1) + (2) : CH4 + 2H2O -> CO2 + 4H2 (deltaH = 165 KJ/m)
Pour tenir compte du CO2 contenu dans le biogaz, on peut écrire :
CO2 + CH4 + 2H2O -> 2CO2 + 4H2 (deltaH = 165 KJ/m)
Il pourra donc y avoir formation de 4 HCOOH, en prélevant 2 CO2 dans la réserve de CO2.
5. Chaleur haute température (sels fondus).
Enthalpie de dissociation de H2O vapeur = 245 KJ/mole.
Energie à fournir = 245/0,9 = 272 KJ/mole.
Chaleur à fournir = 272 - 193 = 79 KJ/mole.
Il faut ajouter, si on considère les échanges de chaleur :
a) la différence entre la chaleur de vaporisation de H2O (41 KJ/mole) et la chaleur de réaction (32 KJ/mole), soit 9 KJ/mole,
b) la chaleur pour augmenter la température de H2O vapeur de 543°K(soit 270°C, t° de saturation de la vapeur d'eau à 50 bars) à 1000°K, soit 20 KJ/mole.
Chaleur à fournir par la réserve de sels fondus, pour l'électrolyse :
79 + 9 + 20 = 108 KJ/mole.
Chaleur à recevoir de la pile :
0,3 x 245 = 74 KJ/mole (si rendement de 70%)
0,4 x 245 = 98 KJ/mole (si rendement de 60%)
Mais il faut déduire 7 KJ/mole, pour la compensation concernant l'échange de chaleur en Z et Y, soit :
67 KJ/mole (si rendement de 70%)
91 KJ/mole (si rendement de 60%)
Pour le biogaz :
chaleur à fournir par la réserve de sels fondus (pour le vaporeformage du méthane) : 165 KJ/mole
chaleur à recevoir (en mode pile) :
4 x 67 = 268 KJ/mole (si rendement de 70%)
4 x 91 = 364 KJ/mole (si rendement de 60%)
1. Utiles pour:
a) réguler la variabilité des énergies renouvelables (éolien, photovoltaïque)
b) assurer la consommation supplémentaire pendant les heures de pointe.
2. Elles deviennent de véritables centrales alimentées par:
a) les énergies renouvelables dans nos régions,
b) le biogaz (converti en acide formique)
c) centrales solaires à concentration situées dans d'autres régions (le CO2 est envoyé dans ces zones et, en même temps, l'acide formique est reçu avec moins de pertes que le transport d'électricité par lignes).
3. Ces mini-centrales serviraient également :
a) pour les véhicules qui apportent le CO2 liquide et repartent avec de l'acide formique (ils ne rejettent donc pas de CO2)
b) l'industrie chimique (fourniture de CO2 ou d'acide formique).
4. La liaison de ces mini-centrales avec un tuyau double (acide formique / CO2) permet une flexibilité totale en fournissant des points de prélèvement pour les stations-service et l'industrie.
7. Notes.
1. Des brevets ont été déposés par Gabor Laurenczy et ses collègues de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).
2. Ce système est utilisé dans les centrales solaires à concentration pour fournir de l'électricité la nuit grâce à la chaleur accumulée pendant le jour.
3. (Next: ineris.fr RAPPORT D'ÉTUDE 10/06/2008)
Changements dans la quantité d'énergie nécessaire pour l'électrolyse de l'eau
fonction de la température:
Température (K) Energie (kJ / mol)
298 405
400 380
1000 193
1200 165
4. (Suivant: AFHYPAC)
"Electrolyse à haute température: Cette technologie est le résultat direct des développements de la pile à combustible de type SOFC, fonctionnant dans la plage de 650 à 1000 ° C.
Elle se révèle intéressante si elle fournit à la fois de l'électricité et de la chaleur pour maintenir la température souhaitée, les performances peuvent alors être supérieures à 80%."
5. Un système de production d'hydrogène par électrolyse de vapeur d'eau à haute température a été validé par le CEA Liten. Le système a un rendement de 90%.
