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GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Évaluations Technico-Économiques (T.E.) de procédés de production d’hydrogène par François WERKOFF DEN/DM2S/SERMA/LTED CEA-SACLAY

Évaluations Technico-Économiques (T.E.) de procédés … · Power Technologies » Recommandé dans le cadre des travaux du ... Modèle global: Coût # Cste + ... Iode# 15$/kg et

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Évaluations Technico-Économiques(T.E.) de procédés de production

d’hydrogène

par François WERKOFF

DEN/DM2S/SERMA/LTEDCEA-SACLAY

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Systèmes du futur (S.F.)

• Génération IV de réacteurs nucléaires et de leurs applications à l’horizon 2030.

• Difficulté d’estimer économiquement des systèmes en cours d’études et encore mal définis.

→ Recherche d’analogies avec systèmes existants.

→ Estimations T.E. multiples, tout au long de la période de R&D d’un S.F.

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T.E. et S.F.

•La méthodologie AméricaineDELENE and HUDSON (1993) : « Cost Estimate Guidelines for Advanced NuclearPower Technologies »

Recommandé dans le cadre des travaux du Forum international sur la Génération IV

et rendu accessible surhttp://www.ornl.gov/~webworks/cppr/y2001/rpt/64453.pdf

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« Cost Estimate Guidelines…»

• Règles pour la construction d’une base de coûts élémentaires:ØCoûts élémentaires directs: site et permis…

génie civil… équipements électriquesØCoûts élémentaires indirects: ingénierie et

études… taxes et assurances… fonds de réserve

• Recommandations:ØDémarche pour arriver à une tête de sérieØÉchelonnement des engagements

financiers….

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Modèles de coûts élémentaires directs.

Constitution d’une base de donnéespour:

Différents composants ou postes(échangeurs thermiques, tuyauterie, séparateurs… génie civil, équipements de sûreté et de contrôle…)

3 Situations différentes:Coût connu: Retour d’expérience —> DevisModèle global: Coût # Cste + (Capacité)I ( I # 0,55)

Modèle détaillé: Biblio…..analogies……

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Déroulement d’une étude T.E. pour un Système du Futur

• Description du concept ou de l’installation

→ FlowSheet;

• Scénario (description de l’évolution dans le temps de l’installation et des dépenses et recettes);• Mise en œuvre de modèles de coûts élémentaires;• Calcul d’un coût de production actualisé.

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Calcul d’un coût actualisé

CUR= ∑t [ (It + Mt + Ct) (1 + r)-t]/∑t [Et (1 + r)-t ]]

CUR: le coût du kg d’hydrogène• It:somme des investissements pour l’année t;• Mt: somme des coûts de maintenance;• Ct: somme des coûts des consommables;• r : taux d’actualisation;• ∑t représente les sommes sur la période totale,

incluant les périodes de construction et d’exploitation.

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Production d’H2 à partir d’un réacteur nucléaire à haute température (HTR)

• Électrolyse Haute température (E.H.T)

FlowSheets ← CEA/DEN/DER/STR et SERI(T. Pinteaux)

• Cycle thermochimique Iode/Soufre (I/S)

FlowSheets ← CEA/DEN/DPC/SCP(JM. Borgard et S. Goldstein)

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Pourquoi l’E.H.T.?

• Quand la température croit:A) Les pertes par effet Joule décroissent; ? ) La demande en énergie électrique décroît:

405 kJ/mole à 298K165 kJ/mol à 1200K

+123 kJ/mole d’énergie thermique

• Meilleure efficacité énergétique que l’électrolyse alcaline.

• Mais pas d’expérience industrielle.

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Étude T.E. de l’E.HT. couplée à un HTR

• Suivant T.Pinteaux: 3 modes de fonctionnement qui dépendent du bilan énergétique au niveau de l’électrolyseur⇔de l’évolution de la température des gaz le long de l’électrolyseur:• Autothermique T↑;• Équilibre thermique (isothermique)T=cst;• AllothermiqueT↓.

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Mode autothermique

• Circuit d’Hélium : 510°C→250°C

• J[A.cm-2] = 1,04• Voltage [V]=1,32

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Mode isothermique (et mode allothermique)

• Circuit d’Hélium: 850°C→490°C

Isothermique• J[A.cm-2] = 0,99• Voltage [V]=1,3Allothermique• J[A.cm-2] = 0,5• Voltage [V]=1,12

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Évaluation des coûts directs

Les principaux coûts élémentaires directs:

• L’électrolyseur;• l’échangeur thermique couplé avec le circuit

d’hélium; • Les échangeurs/récupérateurs à haute

température; • Les échangeurs/récupérateurs à basse

température; • le compresseur;• Les autres coûts.

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L’électrolyseur

•Procédé inverse d’unepile à combustible SOFC

diminution attendue des coûts unitaires des SOFC.

•Coût unitaire (par kW)= 2000€(2001)×0.5/[J×V].

1

10

100

1000

10000

100000

1992 2000 2005 2010

YearU

nit

co

st

[$/k

We]

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Les échangeurs thermiques

Classés dans 3 catégories, • Jusqu’à 650°C, les matériaux à base d’acier

inoxydable sont utilisables;• De 650 à 850°C,il existe des solutions

techniquement possibles avec des aciersferritiques ou à base nickel;

• Au dessus de 850°C, c’est le domaine des très hautes températures. Un ou plusieurschoix sur les géométries et les matériaux(céramiques) restent encore à faire.

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Évaluation des coûts d’exploitation et de maintenance

• Pour l’électricité, a été retenue une valeur estimée pour les futurs réacteurs nucléaires français: 0,0283 € (2001)/ kWhe.

• Pour la chaleur produite par un HTR, il a été supposé que le coût du kWhth est 50 % du coût du kWhe: 0,01415 € (2001)/ kWhth.

• Services et maintenance nécessaires pour la production d’hydrogène. Par analogie avec les SOFC, une valeur de 0,1€ par kg d’ H2 produit a été retenue.

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Scénario

• Durée de vie de l’installation: 30 ans;• durée de vie de l’électrolyseur: 5 ans;• taux de disponibilité: 80%;• période de construction: 3ans,

pourcentages d’engagements: 1èreAnnée: 10%2iémeAnnée: 35%3iémeAnnée: 55%;

• taux d’actualisation : 6 %.

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Évaluation du coût actualisé de l’hydrogène produit

• Par comparaison, le coût de l’H2 produit parélectrolyse alcaline est entre 2,5 et 3,5 € par kg.

Mode Coût de production pour 1kg d’ H2 [ €-2001]

Contribution due àl’investissement pour l’electrolyseur[%]

Contribution due àla consommationd’électricité[%]

autothermique 2,17 34,06 56,27équilibre thermique 2,27 35,37 54,62allothermique 3,19 52,1 35,0

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Quelques aspects du cycle thermochimique I/S

SO2 + x.I2 + 2H2O→H2 SO4 + 2HI + (x-1).I2, (x≥1)

H2 SO4 → SO2 +½ O2 (3 étapes 1000K<Tmax<1300K)

2HI → I2 + H2

• Considérations thermodynamiques• L’iode considérée comme consommable• Coûts d’investissements pour la

décomposition d’H2SO4

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Thermodynamique: perspective d’un rendement théorique (Carnot) élevé

• Les cycles thermochimiques obéissent aux lois de la thermodynamique

• Nécessité d’avoir une réaction endothermique de base à haute température

Décomposition H2SO4 (1000 ~1300K)

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L’iode considérée comme consommablePour produire de l’hydrogène, il faut faire circuler des matières bien plus lourdes et parfois bien plus chères

Iode# 15$/kg et Masse atomique # 127

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Pour produire 1kg d’H2 dont le coût doit être < 2€ , il faut limiter le coût des pertes en iode à 0,5 € par kg d’H2

• Il est nécessaire de décomposer 128 kg d’HI correspondant à 1,9 × 103 €

Nécessité de limiter les pertes relatives: < 2.8 × 10-4.

• Excès d’Iode: (9I2) →pour la séparation I2/HI

Nécessité de limiter les pertes relatives: < 3.2 × 10-5.

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FlowSheet de la décomposition H2SO4 ← JM.Borgard & S.Goldstein

P

EXIT 1 E5

E1

E4

E3

E2 E6 E7

C R1 R2 R3

ENTRY

EXIT 2

V

S

Co

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Composant Coût en M€-2003

Composant n° 5 : Réacteur de décomposition en phase gazeuse 59,67Composant n° 1 : Colonne de distillation 46,76Composant n° 6 : Réacteur catalytique SO3 → SO2 + ½O2 46,25Composant n° 9 : Échangeur/récupérateur : E5-E4 8 ,02Composant n° 2 : Séparateur liquide 6,75Composant n° 7 : Réacteur de recombinaison(gaz : SO3 + H2O)→(liquide H2 SO4 ) 6,18Composant n° 8 : Échangeur/récupérateur : E5-E1 4,82Composant n° 4 : Compresseur pour vapeur d’eau 3,40Composant n° 10 : Échangeur/récupérateur : E6-E7 2,17Composant n° 3 : Pompe pour H2SO4 liquide 0,036

Coûts d’investissement des composants nécessaires à la décomposition d’H2SO4 et pour une production de 8,47 kg d’H2/s (4200 moles/s).

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Production d’H2 à partir d’un HTRUne vision T.E., fin 2003.

Plusieurs aspects n’ont pas été examinés

•Sûreté pour une production massive→Distance de sécurité ?

•Aspects sociétaux et environnementaux→Acceptabilité par le public, risque H2+nucléaire+ chimique…

•Contraintes induites par les utilisations potentielles→Infrastructures, degré de pureté requis ?

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E.H.T.- Point dur: Investissement

• Coût et durée de vie de l’électrolyseur→ 2003: publications de résultats U.S. très encourageants

• Mode allothermique: le meilleur rendement énergétique, mais le coût de production le plus élevé;

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I/S- Point dur: Consommables

• Nécessité d’avoir une très bonne conservation de l’iode

→ Très haut degré de pureté requis pour l’I,S et l’H2 produit.

• Consommation énergétique à maîtriser → Nécessité de réduire les irréversibilités des transformations

pour se rapprocher du rendement de Carnot;→Procédé à mieux défini: réduction de l’excès d’Iode et

amélioration de la séparation I2/HI/H2O et de la décomposition d’HI.