L'unité de production d'hydrogène par électrolyse comprend un ensemble complet d'équipements de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau. Les principaux équipements sont :
1. Électrolyseur
2. Dispositif de séparation gaz-liquide
3. Système de séchage et de purification
4. La partie électrique comprend : transformateur, armoire redresseur, armoire de commande du programme PLC, armoire d'instrumentation, armoire de distribution électrique, ordinateur hôte, etc.
5. Le système auxiliaire comprend principalement : un réservoir d'alcali, un réservoir d'eau de matière première, une pompe d'alimentation en eau, une bouteille d'azote/barre omnibus, etc.
6. Le système auxiliaire global de l'équipement comprend : une machine à eau pure, une tour d'eau de refroidissement, un refroidisseur, un compresseur d'air, etc.
Dans l'unité de production d'hydrogène par électrolyse, l'eau est décomposée en un volume d'hydrogène et un volume d'oxygène dans l'électrolyseur sous l'action d'un courant continu. L'hydrogène et l'oxygène ainsi produits sont envoyés, avec l'électrolyte, vers un séparateur gaz-liquide pour séparation. L'hydrogène et l'oxygène sont refroidis par des refroidisseurs spécifiques, et un séparateur de gouttes récupère et élimine l'eau avant d'être évacués sous le contrôle du système de régulation. L'électrolyte, quant à lui, passe par un système de filtration alcaline (hydrogène/oxygène), puis par un refroidisseur liquide grâce à une pompe de circulation, avant de retourner dans l'électrolyseur pour la poursuite de l'électrolyse.
La pression du système est ajustée par le biais du système de contrôle de pression et du système de contrôle de pression différentielle afin de répondre aux exigences des processus et du stockage ultérieurs.
L'hydrogène produit par électrolyse de l'eau présente l'avantage d'une grande pureté et d'une faible teneur en impuretés. Généralement, les seules impuretés présentes dans l'hydrogène ainsi obtenu sont l'oxygène et l'eau, sans aucun autre composant (ce qui évite l'empoisonnement de certains catalyseurs). Cette caractéristique facilite la production d'hydrogène de haute pureté. Après purification, le gaz produit atteint les caractéristiques requises pour les gaz industriels de qualité électronique.
L'hydrogène produit par le dispositif de production d'hydrogène passe par un réservoir tampon afin de stabiliser la pression de fonctionnement du système et d'éliminer davantage l'eau libre présente dans l'hydrogène.
Une fois que l'hydrogène pénètre dans le dispositif de purification d'hydrogène, l'hydrogène produit par électrolyse de l'eau est purifié davantage, et l'oxygène, l'eau et autres impuretés présentes dans l'hydrogène sont éliminés en utilisant les principes de la réaction catalytique et de l'adsorption sur tamis moléculaire.
L'équipement peut mettre en place un système de régulation automatique de la production d'hydrogène en fonction des conditions réelles. Les variations de la charge en gaz entraînent des fluctuations de pression dans le réservoir de stockage d'hydrogène. Le transmetteur de pression installé sur le réservoir génère un signal de 4 à 20 mA qui est transmis à l'automate programmable. Après comparaison avec la valeur de consigne initiale, transformation inverse et calcul PID, un signal de 20 à 4 mA est généré et envoyé à l'armoire de redressement afin d'ajuster l'intensité du courant d'électrolyse. Ce système permet ainsi une régulation automatique de la production d'hydrogène en fonction des variations de la charge.
Les équipements de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau alcaline comprennent principalement les systèmes suivants :
(1) Système d'alimentation en eau des matières premières
Le seul réactif du procédé de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau est l'eau (H₂O), qui doit être constamment alimentée en eau brute par une pompe de remplissage. Cette pompe est située au niveau du séparateur hydrogène/oxygène. De plus, une petite quantité d'hydrogène et d'oxygène doit être évacuée du système afin d'éliminer l'humidité. La consommation d'eau des petits équipements est de 1 L/Nm³H₂, et celle des grands équipements peut être réduite à 0,9 L/Nm³H₂. Le système est alimenté en eau brute en continu. Ce remplissage permet de maintenir la stabilité du niveau et de la concentration de la solution alcaline, et d'assurer un apport d'eau suffisant pour maintenir la concentration de la lessive de soude.
2) Système de transformateur-redresseur
Ce système se compose principalement de deux appareils : un transformateur et une armoire redresseuse. Sa fonction principale est de convertir le courant alternatif 10/35 kV fourni par le propriétaire du système en courant continu requis par l’électrolyseur, puis d’alimenter ce dernier. Une partie de l’énergie fournie est utilisée pour la décomposition directe de l’eau. Les molécules produites sont l’hydrogène et l’oxygène, tandis que l’autre partie génère de la chaleur, qui est évacuée par le refroidisseur de lessive grâce à un circuit de refroidissement à eau.
La plupart des transformateurs sont à bain d'huile. Pour une installation en intérieur ou dans un conteneur, on peut utiliser des transformateurs secs. Les transformateurs utilisés dans les équipements de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau sont des transformateurs spécifiques qui doivent être adaptés aux caractéristiques de chaque électrolyseur ; il s'agit donc d'équipements sur mesure.
(3) système d'armoire de distribution électrique
L'armoire de distribution électrique sert principalement à alimenter en 400 V (ou 380 V, comme on l'appelle couramment) les différents composants motorisés des systèmes de séparation et de purification de l'hydrogène et de l'oxygène situés en aval de l'équipement de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau. Ces équipements comprennent le circuit de circulation d'alcali dans le système de séparation de l'hydrogène et de l'oxygène, les pompes, les pompes de remplissage d'eau des systèmes auxiliaires, les résistances chauffantes des systèmes de séchage et de purification, ainsi que les systèmes auxiliaires nécessaires au fonctionnement global, tels que les générateurs d'eau pure, les refroidisseurs, les compresseurs d'air, les tours de refroidissement, les compresseurs d'hydrogène en aval, les hydrogénateurs et autres équipements. L'alimentation électrique comprend également l'éclairage, la surveillance et les autres systèmes de l'ensemble de la station.
(4) système de contrôle
Le système de contrôle utilise un automate programmable (PLC). Il s'agit généralement d'un Siemens 1200 ou 1500. Doté d'une interface homme-machine tactile, il permet l'affichage des paramètres et des opérations de chaque système de l'équipement, ainsi que la visualisation de la logique de contrôle.
5) Système de circulation alcaline
Ce système comprend principalement les équipements suivants :
Séparateur d'hydrogène et d'oxygène - pompe de circulation alcaline - vanne - filtre alcalin - électrolyseur
Le processus principal est le suivant : le liquide alcalin mélangé à l’hydrogène et à l’oxygène dans le séparateur d’hydrogène/oxygène est séparé par le séparateur gaz-liquide, puis renvoyé vers la pompe de circulation du liquide alcalin. À ce niveau, les séparateurs d’hydrogène et d’oxygène sont connectés, et la pompe de circulation du liquide alcalin assure un reflux. Le liquide alcalin circule jusqu’à la vanne et au filtre situés à l’extrémité aval. Après filtration des impuretés les plus importantes, le liquide alcalin est acheminé vers l’intérieur de l’électrolyseur.
(6) Système hydrogène
L'hydrogène est produit du côté de l'électrode cathodique et atteint le séparateur avec le système de circulation de la solution alcaline. Dans le séparateur, étant relativement léger, l'hydrogène se sépare naturellement de la solution alcaline et remonte vers la partie supérieure, puis circule dans une canalisation pour une séparation et un refroidissement supplémentaires. Après refroidissement à l'eau, le récupérateur de gouttes recueille les gouttelettes et atteint une pureté d'environ 99 %, avant d'acheminer l'hydrogène vers le système de séchage et de purification en aval.
Évacuation : L'évacuation de l'hydrogène est principalement utilisée pour l'évacuation lors du démarrage et de l'arrêt, en cas de fonctionnement anormal ou de défaillance de pureté, et pour l'évacuation en cas de panne.
(7) Système d'oxygène
Le parcours de l'oxygène est similaire à celui de l'hydrogène, mais dans un séparateur différent.
Évacuation : Actuellement, la plupart des projets d'oxygène sont traités par évacuation.
Utilisation : L’utilisation de l’oxygène n’est pertinente que dans le cadre de projets spécifiques, notamment pour certaines applications nécessitant à la fois de l’hydrogène et de l’oxygène de haute pureté, comme chez les fabricants de fibres optiques. Certains grands projets prévoient également un espace dédié à l’utilisation de l’oxygène. Les applications en aval incluent la production d’oxygène liquide après séchage et purification, ou l’utilisation d’oxygène médical via un système de dispersion. Toutefois, l’optimisation de ces applications reste à préciser. Des études complémentaires sont nécessaires.
(8) Système d'eau de refroidissement
L'électrolyse de l'eau est une réaction endothermique. La production d'hydrogène nécessite un apport d'énergie électrique. Cependant, la consommation électrique de l'électrolyse dépasse la capacité thermique théorique de la réaction. Autrement dit, une partie de l'électricité utilisée par l'électrolyseur est convertie en chaleur. Cette chaleur sert principalement à préchauffer le circuit de circulation de la solution alcaline, afin que celle-ci atteigne la température de 90 ± 5 °C requise par l'appareil. Si l'électrolyseur continue de fonctionner après avoir atteint cette température, la chaleur générée est dissipée par un système de refroidissement pour maintenir la température de la zone de réaction. Une température élevée dans cette zone permet de réduire la consommation d'énergie, mais une température excessive risque d'endommager la membrane de la chambre d'électrolyse, ce qui compromet le bon fonctionnement de l'appareil à long terme.
Ce dispositif exige que sa température de fonctionnement ne dépasse pas 95 °C. De plus, l'hydrogène et l'oxygène produits doivent être refroidis et déshumidifiés ; le redresseur commandé au silicium refroidi par eau est également équipé des canalisations de refroidissement nécessaires.
Le corps de pompe des gros équipements nécessite également la participation d'eau de refroidissement.
(9) Système de remplissage et de purge à l'azote
Avant toute mise au point et utilisation de l'appareil, le système doit être rempli d'azote pour vérifier son étanchéité. Avant le démarrage normal, la phase gazeuse du système doit également être purgée à l'azote afin de garantir que le gaz présent dans l'espace gazeux de part et d'autre de l'hydrogène et de l'oxygène soit hors de la plage d'inflammabilité et d'explosivité.
Après l'arrêt de l'équipement, le système de contrôle maintient automatiquement la pression et conserve une certaine quantité d'hydrogène et d'oxygène dans le système. Si la pression est toujours présente lors de la remise en marche de l'équipement, aucune purge n'est nécessaire. En revanche, si toute la pression est relâchée, une nouvelle purge à l'azote est requise.
(10) Système de séchage (purification) à l'hydrogène (optionnel)
L'hydrogène produit par électrolyse de l'eau est déshumidifié par un sécheur parallèle, puis dépoussiéré par un filtre tubulaire en nickel fritté afin d'obtenir de l'hydrogène sec. (Selon les exigences de l'utilisateur concernant l'hydrogène produit, le système peut être complété par un dispositif de purification utilisant une désoxydation catalytique bimétallique palladium-platine).
L'hydrogène produit par le dispositif de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau est envoyé au dispositif de purification d'hydrogène via le réservoir tampon.
L'hydrogène passe d'abord par la tour de désoxygénation. Sous l'action du catalyseur, l'oxygène contenu dans l'hydrogène réagit avec ce dernier pour former de l'eau.
Formule de réaction : 2H2+O2 → 2H2O.
Ensuite, l'hydrogène passe par le condenseur d'hydrogène (qui refroidit le gaz pour condenser la vapeur d'eau qu'il contient afin de générer de l'eau, et l'eau condensée est automatiquement évacuée du système par le collecteur de liquide) et entre dans la tour d'adsorption.
Date de publication : 14 mai 2024
