Production d’hydrogène par cycles thermochimiques de dissociation de l’eau couplés à une source d’énergie solaire

par Patrice Charvin

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur. Génie des procédés, génie chimique

Sous la direction de Gilles Flamant.

Soutenue en 2007

à Perpignan , dans le cadre de École doctorale Énergie environnement (Perpignan) .


  • Résumé

    This doctorate deals with a method for large scale production of hydrogen considered as the future energy vector replacing oil and gas in the transportation sector. Thermochemical cycles represent a promising pathway for the water-splitting into hydrogen and oxygen at medium temperature (500-2000°C). The use of solar concentrated energy as heat supply allows the development of a sustainable and environmentally friendly process. After a first selection based on criteria, a list of 30 promising cycles was established. These cycles were analysed on an exergy point of view. Sulphates cycles and most of chlorine cycles were eliminated after thermodynamic study of reactions. The experimental study focused mainly on metal oxide cycles. The high temperature reduction (solar furnaces) and hydrolysis reactions were studied for “non volatile” and “volatile” oxide cycles. Reduced iron oxides (Fe3O4 and FeO) produced significant quantities of hydrogen in two or three steps. SnO2 and ZnO reduction was done and optimised to reduce the recombination of products, which was not the case for indium and gallium. Hydrogen production was better for SnO than for Sn, and it was rapid with indium. A process analysis was developed accounting for experimental results, which led to cycle energy efficiencies ranging from 26% to 42% after optimisation. A production of 250 kg. H-1 of H2 could be achieved with a solar tower like PS10 (55 MWth). The hydrogen production cost was estimated between 7. 25 dollards/kg and 16 dollards/kg depending on the cycle and on the economic assumptions considered.

  • Titre traduit

    Hydrogen production by water-splitting thermochemical cycles with solar energy


  • Résumé

    Une méthode de production massive d’hydrogène envisagé comme vecteur énergétique du futur se substituant au pétrole et au gaz dans les transports est étudié. Les cycles thermochimiques constituent une voie intéressante permettant une dissociation de l’eau en hydrogène et oxygène à moyenne température (500-2000°C). Avec l’emploi d’énergie solaire concentrée, le procédé est durable et respectueux de l’environnement. A l’issue d’une analyse multicritères, une liste de 30 cycles a été établie. Ces cycles ont fait l’objet d’une analyse exergétique et d’une étude thermodynamique détaillée qui ont conduit à l’éviction des cycles sulfates et des cycles chlorures. L’étude expérimentale s’est focalisée sur des cycles « oxydes ». Les réactions de réduction à haute température (four solaire) et d’hydrolyse ont été étudiées pour des cycles à oxydes « non volatils » et « volatils ». Les oxydes de fer réduits (Fe3O4 et FeO) ont permis une production significative d’hydrogène en deux ou trois étapes. D’autre part, la réduction de SnO2 et de ZnO a pu être effectuée et optimisée en limitant la recombinaison des produits, contrairement aux oxydes d’indium et de gallium. Enfin, l’étape de production d’hydrogène est meilleure pour SnO que pour Sn et elle s’avère très rapide pour l’indium. L’analyse procédé réalisée à l’aide des résultats expérimentaux conduit après optimisation à des rendements de cycle thermochimique variant de 26% à 42%. Une production de 250 kg. H-1 d’hydrogène est possible avec une tour solaire semblable à PS10 (55 MWth). Le coût de production de l’hydrogène est alors compris entre 7,25 dollards/kg et 16 dollards/kg en fonction du cycle et des hypothèses économiques considérées.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (273 p.)
  • Annexes : Bibliogr. en fin de chapitres

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  • Bibliothèque : Université Perpignan Via Domitia. Service commun de la documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TH 2007 CHAR
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