Hydrogène & sources d’énergie alternatives Expertise de premier ordre en ingénierie

En général, un électrolyseur est un dispositif permettant de séparer, décomposer et transformer un matériau ou une molécule (réaction d’oxydoréduction) à l’aide de l’énergie électrique. Dans un électrolyseur d’eau, les molécules d’eau (H₂O) sont transformées en des molécules d’hydrogène (H₂) et des molécules d’oxygène (O₂).

La réaction réelle a lieu dans des cellules électrochimiques à des tensions d'environ 1,4 V. Pour des raisons pratiques, un certain nombre de ces cellules (connexion électrique en série) est empilé pour constituer des stacks. Tous les équipements périphériques autour des cellules électromécaniques sont regroupés sous le terme « Balance of Plant ».

Balance of Plant (BOP) est une expression généralement utilisée en liaison avec la technologie énergétique. Il s'agit de tous les composants et systèmes auxiliaires nécessaires à la conversion de l'énergie, à l’exception de l’unité de production ou de l’unité de transformation elle-même.

Pour les électrolyseurs, cela comprend la gestion de l'énergie (transformateurs, onduleurs, contrôleurs de puissance, etc.), la gestion des fluides et des gaz (conditionnement de l’eau, séparation des phases fluide et gazeuse, séchage des gaz, compression des gaz) et la gestion thermique (systèmes de refroidissement pour électronique de puissance, stack et séchage de la condensation).

Une pile à combustible est composée de deux électrodes : l’anode (côté hydrogène) et la cathode (côté air). Les deux électrodes sont séparées par un électrolyte. Dans la pile à combustible PEM (à membrane échangeuse de protons), il s’agit d’une membrane semi-perméable, qui n’est perméable qu’aux protons.

L’hydrogène est amené à l’anode. Il est alors scindé en protons et en électrons, à l’aide d’un catalyseur (platine, en général). Les protons migrent alors à travers la membrane pour atteindre la cathode. Les électrons s’écoulent vers la cathode via un consommateur électrique et fournissent ainsi l’énergie électrique. Au niveau de la cathode, les protons et les électrodes se combinent à l’oxygène issu de l’air environnant pour former de l’eau.

L’expression « cellule électrochimique » est un terme générique qui recouvre différents types de cellules. Ces types de cellules peuvent parfois être réversibles. Ces cellules peuvent être chargées et déchargées, ce qui signifie qu’elles peuvent transformer l’énergie électrique en énergie chimique, et restituer celle-ci en tant qu’énergie électrique. En outre, certains types de cellules d’électrolyse peuvent fonctionner comme des piles à combustible. Cela signifie que la transformation de l’hydrogène et de l’oxygène en eau libère de l’énergie électrique et de la chaleur.

Les cellules d’électrolyse et les piles à combustible sont constituées de plaques bipolaires, d’électrodes et, selon la technologie, de couches de diffusion de gaz (GDL) et de membranes. Lorsque l’on utilise des « Membranes Échangeuses de Protons / d’Anions » (PEM / AEM), celles-ci sont souvent raccordées directement aux électrodes et on les appelle « Assemblage d’Électrodes à Membrane » (MEA).

L’expression Assemblage d’Électrodes à Membrane (MEA) peut être interprétée de plusieurs façons. Dans certains cas, il s'agit uniquement de la membrane sur laquelle sont déposées les couches de catalyseur (d’un côté pour la réaction à la cathode, de l’autre pour la réaction à l'anode). Souvent, cependant, la/les couche(s) de diffusion de gaz est/sont souvent incluse/s car elles doivent également être conductrices d'électricité.

En fonction de la technologie, la membrane est composée de différents polymères ou céramiques, chacun pouvant transporter sélectivement des protons, des anions (p. ex. des anions hydroxydes = OH) ou de l’oxygène. Les couches de diffusion des gaz servent à transporter les gaz produits (électrolyse) et, en particulier, les gaz utilisés (piles à combustible) de manière aussi homogène que possible loin ou vers les sites ce réaction (couches de catalyseur). Ces gaz sont évacués ou introduits dans les cellules électrochimiques par des des canaux situés dans les plaques bipolaires.

Les plaques bipolaires installées dans une configuration à cellules multiples ou en pile sont avant tout responsables de la connexion physique et électrique entre l'anode d'une cellule et la cathode de la cellule voisine. Les plaques bipolaires des piles à combustible sont également responsables de l'acheminement des gaz de réaction vers la zone de réaction. À cette fin, les profils d’écoulement (champs d’écoulement) sont fraisés ou pressés dans les plaques des deux côtés, à travers lesquels l’hydrogène s’écoule d’un côté et l’air est alimenté de l’autre.

Une plaque bipolaire est constituée des deux pôles d’une même pile à combustible : la plaque anodique transportant l’hydrogène (le pôle négatif (-)) et la plaque cathodique (le pôle positif (+)) qui alimente l’air de réaction. Les plaques régulent également l’évacuation de vapeur d’eau et la production d’énergie thermique et électrique. Dans les cellules d’électrolyse, ces plaques sont essentiellement utilisées pour refroidir l’électrolyseur, alimenter l’autre côté en gaz de réaction et éliminer l’hydrogène et les gaz produits pendant la réaction.

En électrolyse et dans la technologie des piles à combustible, un stack est un empilement de cellules électrochimiques raccordées en série, y compris l’enceinte/le cadre/les éléments de serrage. Le raccordement en série permet d’augmenter la tension d’alimentation et de réduire le courant, avec la même consommation de puissance conformément à P=U*I. Indépendamment de cela, le raccordement en série dans un stack simplifie également la conception globale du système.

L’hydrogène gazeux peut être stocké dans un réservoir après compression à haute pression. Dans les transports, par exemple, un niveau de pression de 350 bar pour les véhicules utilitaires et de 700 bar pour les véhicules particuliers s’est imposé. À 700 bar, la densité est d’environ 40 kg/m³ (24 kg/m³ à 350 bar). Les accumulateurs à haute pression offrent une solution à bas coût pour les petites quantités à stocker et ils sont par conséquent utilisés essentiellement dans les applications mobiles comme les véhicules particuliers et les véhicules utilitaires.
Il existe actuellement quatre types différents de réservoirs de pression sur le marché :

• Type 1 : le réservoir sous pression n’est composé que d’une paroi métallique (en acier habituellement). Les pressions nominales se situent dans la plage des 200 bar.
• Type 2 : en plus de la paroi métallique, les réservoirs sous pression ont une enveloppe réalisée en verre imprégné de résine ou en fibre de carbone pour une pression nominale allant jusqu’à 1 000 bar.
• Type 3 : les réservoirs comportent un liner réalisé en métal (en aluminium habituellement) et une enveloppe réalisée en fibre de carbone entourant tout le réservoir. Les pressions nominales sont typiquement de 350 ou 700 bar.
• Type 4 : les accumulateurs comportent un liner réalisé en plastique (en polyamide ou en polyéthylène, typiquement) et l’enveloppe est habituellement réalisée en fibre de carbone, de la même façon que les réservoirs de type 3. Les pressions nominales sont habituellement de 350, 500 ou 700 bar.

Par rapport au stockage d’hydrogène gazeux, l’hydrogène liquide en tant que combustible offre des avantages en termes de densité énergétique (71 kg/m³). La pression dans le réservoir peut également être maintenue basse. Ceci se répercute positivement sur le système de réservoir, en termes de poids du réservoir de stockage et d’encombrement, de coûts (en particulier pour les gros volumes à stocker) et de sécurité.

Les coûts de production de l’hydrogène cryogénique (-253 °C) ne sont toutefois pas négligeables. En outre, l’hydrogène se réchauffe s’il n’est pas refroidi en permanence. Il en résulte une augmentation de la pression à l’intérieur du réservoir. Ceci peut conduire à des pertes par « boil off » (évaporation). En d’autres termes, cela signifie que l’hydrogène gazeux est rejeté dans l’environnement.

Un moteur à hydrogène est un moteur à gaz qui fonctionne à l’hydrogène gazeux en remplacement du carburant liquide (diesel et essence). Il existe des moteurs à hydrogène pur qui sont propulsés par de l’hydrogène pur. Il existe également des moteurs à hydrogène bicombustibles alimentés par un mélange d’hydrogène et d’autres gaz (du méthane et du gaz naturel, par exemple).

Un moteur à hydrogène est considéré comme une alternative à la pile à combustible car les moteurs à combustion existants peuvent être convertis avec relativement peu d'efforts techniques. Des études montrent toutefois que l’avantage coût diminuera considérablement avec la montée en puissance des piles à combustible. En outre, les moteurs à hydrogène sont heurtent à un rendement plus faible, à des exigences de maintenance plus élevées et à l'étiquette de ne être 100 % neutres en carbone.

Les « véhicules électriques à pile à combustible » (FCEV) sont exclusivement propulsés par un moteur électrique, de la même façon que les « véhicules électriques à batterie » (BEV).

Contrairement à ce qui se passe pour les BEV, l’énergie électrique requise n’est pas fournie par une grosse batterie de propulsion (également connue sous le nom de batterie de traction). Au lieu de cela, elle est rendue disponible par la conversion de l’énergie chimique de la source d’énergie en alternative en énergie électrique - ce qui possible grâce à la pile à combustible.

Pour l'instant, les piles à combustible ne sont pas encore conçues pour des changements de charge aussi rapides et durables que les moteurs à combustion. C’est pourquoi une (petite) batterie d'entraînement est également installée. Elle est alimentée lorsque la charge est faible et fournit de l’énergie supplémentaire lorsque la charge est élevée. Cela permet d’exploiter à la pile à combustible de fonctionner à une charge relativement constante lorsque le FCEV est en marche.

Les centrales électriques à pile à combustible (FCPP), les centrales de cogénération (CHP) et les centrales de cogénération à pile à combustible (FC-CHPPP) séduisent par leur haut niveau d’efficacité globale. En fonction de la technologie de pile à combustible utilisée, l’efficacité électrique se situe actuellement à environ 30-60 %. L’efficacité globale peut dépasser 95 % car l’électricité et la chaleur sont générées directement à partir de la réaction électromécanique, sans autres étapes de transformation.

Les centrales électriques à pile à combustible ont à ce jour été développées essentiellement dans la plage de puissances de 10 kW à 3 MW. Ces dernières années, le développement dans la gamme des puissances inférieures s’est de plus en plus orienté vers les installations de production combinée de chaleur et d'électricité à micro et nano-piles à combustible d'une puissance de 0,3-1,5 kW et d'une puissance thermique de 0,6-2,0 kW pour les maisons individuelles et les maisons jumelées. Dans la plage de puissances supérieures, des centrales électriques d’environ 80 MW ont déjà été réalisées et d’autres devraient suivre dans les années à venir sous la forme de conceptions modulaires.

Power-to-X (également appelé PtX ou P2X) fait référence à l’utilisation, au service de tous les types de technologies, de l’électricité excédentaire issue d’énergies renouvelables variables. Ces excédents d’électricité peuvent par exemple être stockés directement dans des batteries (power-to-power), convertis en chaleur (power-to-heat) ou utilisés pour produire des sources d’énergie chimiques (power-to-gas, power-to-liquid).

Si l’excédent d’électricité est utilisé pour produire des sources d’énergie chimique, on fait souvent une différenciation supplémentaire (p. ex. power-to-hydrogène, power-to-syngaz, power-to-ammoniac, power-to-fuel).

L’ammoniac (NH3) est un composé chimique d’azote et d’hydrogène qui, dans des conditions normales, est présent sous forme gazeuse. Depuis le développement des fertilisants à l’azote par Justus Liebig (vers 1840), il est l’un des produits chimiques de base les plus importants. Mais ce n’est que lorsque le procédé Haber-Bosch a été utilisé à l'échelle industrielle chez BASF à Ludwigshafen vers 1913, qu’une augmentation significative de la production annuelle a été possible. Aujourd’hui, l’ammoniac est l’un des produits chimiques les plus produits (146,5 millions de tonnes en 2021, dont 80 % pour les fertilisants) et il constitue la base de production de tous les autres composés azote.

Compte tenu du développement d'une économie de l’hydrogène durable, on peut s’attendre à une nouvelle augmentation de la production annuelle d’ammoniac. La raison en est la suivante : l’ammoniac convient mieux pour le transport et le stockage que l’hydrogène pur.

Compte tenu du point d’ébullition plutôt élevé, -33 °C, il est beaucoup plus facile et beaucoup moins coûteux de liquéfier l’ammoniac que l’hydrogène (point d’ébullition -252 °C). Le pouvoir calorifique volumique supérieur de l’ammoniac, par rapport l’hydrogène (3,2 kWh/l contre 2,8 kWh/l) est également très important, en particulier pour la logistique de transport.