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