Mise en réserve de l'énergie électrique.

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. Ces centres serviraient au départ :
a) à régulariser la variabilité des énergies renouvelables (éolienne, photovoltaïque),
b) à assurer le supplément de consommation pendant les heures de pointe.

2. Ils deviendraient de véritables centrales électriques approvisionnées par:
a) les énergies renouvelables dans nos régions,
b) le biogaz (transformé en acide formique),
c) les centrales solaires à concentration situées dans des régions plus lointaines (on envoie le CO2 et on reçoit l'acide formique, avec moins de pertes que le transport de l'électricité par lignes).

3. Ces mini centrales serviraient aussi d'approvisionnement pour :
a) les véhicules : on apporte le CO2 liquide et on repart avec l'acide formique (ces véhicules ne rejetteraient donc pas de CO2), 
b) l'industrie chimique (prélèvement de CO2 ou d'acide formique).

4. Le fait de relier ces mini centrales par une canalisation double (acide formique/CO2) permettrait une souplesse totale d'utilisation, en prévoyant des points de prélèvements pour les stations de remplissage des véhicules et pour l'industrie. 

7. Notes.


1. Des brevets ont été déposés par Gabor Laurenczy et ses collaborateurs de l' Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).

2. Ce système est utilisé dans les centrales solaires à concentration pour pouvoir fournir de l'électricité pendant la nuit, grâce à la chaleur accumulée pendant la journée.


3. (Suivant : ineris.fr RAPPORT D’ÉTUDE 10/06/2008)

Evolution de la quantité d’énergie nécessaire pour l’électrolyse de l’eau en
fonction de la température :

Température(K)   Energie(kJ/mole)
298                  405
400                  380
1000                 193
1200                 165


4. (Suivant : AFHYPAC)

"Electrolyse à haute température : cette technologie est directement issue des développements de la pile à combustible de type SOFC, fonctionnant  dans la gamme 650 – 1000°C.
Elle se révèle intéressante si on l’alimente à la fois en électricité et en chaleur pour maintenir la température élevée souhaitée, le rendement peut alors être supérieur à 80%. 
Elle est essentiellement destinée à être couplée à un système solaire à concentration ou à un réacteur nucléaire à haute température." 

5. http://www.industrie-techno.com/90-de-rendement-pour-un-systeme-d-electrolyse-du-cea.34969

Un système de production d’hydrogène par électrolyse de la vapeur d’eau à haute température a été validé par le CEA Liten. Le système présente un rendement supérieur à 90 %.


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