Comment en apprendre davantage sur les électrolyseurs ?

CRAIG GIFFORD:
Bienvenue dans notre série « Demandez à Swagelok ». Je m’appelle Craig Gifford et je me trouve aujourd’hui avec Hassan El Ghoul, qui est ingénieur en systèmes fluides chez Swagelok Ontario dans le Canada atlantique. Nous parlons avec Hassan de la production de l’hydrogène, et plus particulièrement du procédé d’électrolyse. Pour les personnes qui nous regardent et qui sont peu familières du sujet, pouvez-vous expliquer ce qu’est un électrolyseur ?

HASSAN EL GHOUL:
OK. Un électrolyseur est un dispositif qui utilise le courant électrique pour décomposer les molécules d’eau en molécules d’oxygène et d’hydrogène. Et c’est justement ce que nous cherchons à obtenir. Ces molécules, dans les conditions d’exploitation qui sont les nôtres, sont à l’état gazeux.

Si on regarde un électrolyseur, on voit qu’il possède deux compartiments. Chaque compartiment contient une électrode. D’un côté, il y a la cathode, qui est la borne négative. De l’autre, on trouve l’anode, qui est la borne positive. Et selon le type d’électrolyseur, ces deux compartiments sont divisés au moyen d’un type de membrane différent. Cela peut être une membrane poreuse. Il peut aussi s’agir d’une membrane en polymère. Cela dépend du modèle.

Il existe de nombreux types d’électrolyseurs. Les plus courants sont les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM) et les électrolyseurs alcalins.

CRAIG GIFFORD:
Il existe donc plusieurs types d’électrolyseurs, deux principalement. Pouvez-vous nous dire ce qui les différencie ?

HASSAN EL GHOUL:
OK. Commençons par l’électrolyseur à membrane échangeuse de protons. Cet électrolyseur contient une membrane à électrolyte polymère. Cette membrane permet aux ions hydrogène, les protons, de passer d’un compartiment à l’autre sous l’effet d’un courant électrique. L’hydrogène est donc produit au niveau de la cathode.

Maintenant, concernant ces électrolyseurs, la première chose à savoir est qu’ils nécessitent de fortes densités de courant. La pression du gaz produit est élevée et cela nous arrange, car il n’y a plus à comprimer le gaz fortement après ça. Les électrodes sont constituées de métaux nobles comme le platine, l’iridium, l’or. Le rendement électrochimique de ces électrolyseurs est élevé, ce qui est un véritable avantage. Et ils s’adaptent très bien aux variations de charge. Cela signifie qu’ils sont compatibles avec des sources d’énergie fluctuantes comme le vent ou le soleil.

CRAIG GIFFORD:
Oh super. D’accord. OK.

HASSAN EL GHOUL:
L’autre type est l’électrolyseur alcalin. Il contient un électrolyte liquide – une solution d’hydroxyde de sodium ou d’hydroxyde de potassium. On appelle ça la « lessive ». Les ions hydroxyde traversent une membrane qui est ici une membrane poreuse.

Ce qu’il faut savoir concernant ces électrolyseurs, c’est qu’ils nécessitent une faible densité de courant par rapport aux électrolyseurs PEM. Cela a une incidence sur le rendement. La pression de sortie est moindre. Le gaz produit devra donc être comprimé davantage. Les électrodes sont fabriquées dans un acier bon marché que l’on recouvre d’un alliage de nickel. Cela revient évidemment beaucoup moins cher qu’un électrolyseur PEM.

Dernier point, son adaptabilité aux variations de charge. Malheureusement, il ne s’adapte pas aussi bien qu’un électrolyseur PEM à ces variations.

CRAIG GIFFORD:
D’accord. Maintenant, Hassan, lorsqu’une nouvelle installation de production d’hydrogène entre en service, tous les systèmes fluides sont soumis à un essai de réception en usine durant le processus. Les moindres fuites sont une source de gaspillage et entraînent des problèmes de sécurité. Pouvez-vous nous présenter certains de ces problèmes qui surviennent avec les électrolyseurs ainsi que les facteurs qui causent ces problèmes ?

HASSAN EL GHOUL:
Lorsqu’on pense aux systèmes d’électrolyse, comme pour beaucoup d’autres systèmes qui mettent en œuvre de l’hydrogène, il faut garder deux éléments essentiels à l’esprit : la sécurité – qui passe toujours en premier – et le rendement.

Commençons par la sécurité. Qui dit électrolyseur dit gaz dangereux. Le premier est l’hydrogène, un gaz inflammable dont la limite inférieure d’inflammabilité dans l’air est de 4 %. Le second gaz est l’oxygène, qui est un comburant bien connu.

Le deuxième aspect est le rendement. En cas de fuite, les gaz s’échappent dans l’atmosphère. Il ne faut pas oublier la quantité d’énergie que demande le procédé d’électrolyse. Non seulement ça, mais il faut aussi plus d’énergie pour la compression. Donc, laisser s’échapper les gaz dans l’atmosphère équivaut à gaspiller de l’énergie.

En définitive, l’important est de réfléchir à une technologie d’étanchéification adaptée. Pas n’importe laquelle, une technologie conçue pour les gaz formés de petites molécules. Qui peut contenir n’importe quel gaz.

La taille de l’installation a une influence directe sur la capacité de l’électrolyseur, mais aussi sur son rendement, et même sur d’autres aspects comme la montée en charge ou la rentabilité.

CRAIG GIFFORD:
Que peut-on faire pour résoudre certains problèmes courants ?

HASSAN EL GHOUL:
Commençons par parler des facteurs qui influent sur le rendement d’un électrolyseur. On parlera ensuite de la montée en charge de la production. Un des facteurs qui favorise le rendement d’un électrolyseur est la température. En général, des températures élevées améliorent le rendement. Le matériau des électrodes est un autre facteur. Cela contribue véritablement à l’efficacité du procédé d’électrolyse dans son ensemble.

Il y a aussi la densité de courant. Nous en avons déjà parlé quand nous avons abordé les différents types d’électrolyseurs. Évidemment, des densités de courant élevées augmentent également la production d’hydrogène et le rendement du procédé d’électrolyse. Le dernier facteur est la concentration de la solution électrolytique. Lorsqu’on augmente cette concentration, on améliore la conductivité de la solution et le rendement de l’électrolyseur.

Passons maintenant aux problèmes associés aux systèmes d’électrolyse et à la question de la montée en charge. Tout d’abord, il faut savoir que les coûts d’investissement sont élevés. Les électrolyseurs ne sont pas des équipements bon marché, en particulier les électrolyseurs PEM ou ceux qui contiennent des métaux nobles. On parle ici d’un coût en capital élevé.

La deuxième chose lorsqu’on parle d’électrolyseur, c’est qu’on ne parle pas seulement du système d’électrolyse en lui-même : il y a toute une infrastructure. Il faut penser aux systèmes de compression, aux stations de ravitaillement, au stockage, aux pipelines virtuels. C’est tout un ensemble d’éléments qui fonctionnent ensemble.

Nous avons déjà parlé de rendement. C’est assurément un enjeu. Si l’on compare l’électrolyse à d’autres modes de production d’hydrogène, le reformage du méthane à la vapeur par exemple, son rendement est plus faible. Ce qui m’amène au point suivant : la concurrence. C’est un secteur très concurrentiel si l’on compare ce mode de production d’hydrogène avec d’autres modes de production plus établis comme le reformage du méthane à la vapeur. Il est donc très difficile d’être compétitif à grande échelle avec ce procédé.

CRAIG GIFFORD:
Alors, Hassan, dites-nous, de quoi les concepteurs doivent-ils encore tenir compte concernant l’infrastructure autour d’un électrolyseur ?

HASSAN EL GHOUL:
Ils doivent avoir en tête les sous-systèmes qui entourent l’électrolyseur ainsi que la dynamique des fluides dans son ensemble. On peut donc réfléchir à beaucoup de choses. On peut réfléchir au dimensionnement des lignes. Est-ce que je veux vraiment utiliser de plus gros diamètres ? On entend beaucoup parler des seuils de vitesse d’apparition de l’érosion. Est-ce vraiment un souci ? Parce que ça oblige à utiliser des lignes de plus gros diamètre, ce qui nuit sensiblement au rendement. Le volume, le coût, l’encombrement – beaucoup de choses qui sont associées à des lignes de plus gros diamètre.

On peut réfléchir aux systèmes de récupération de la chaleur. On peut réfléchir au dimensionnement des vannes. On peut aussi réfléchir aux sous-systèmes qui conditionnent l’hydrogène avant la phase de compression. On peut réfléchir aux soupapes, dans un souci évident de sécurité. On peut réfléchir à la manière de configurer la mise à l’atmosphère. Il y a tellement de normes, notamment la norme CGA 5.5. On peut réfléchir aux dispositifs de purge et, bien sûr, à la qualité de la production.

Il faut évaluer la qualité de l’hydrogène produit. Cet hydrogène sera peut-être utilisé dans des piles à combustible qui sont très sensibles à la qualité de l’hydrogène utilisé.

CRAIG GIFFORD:
C’est là qu’intervient l’échantillonnage instantané ?

HASSAN EL GHOUL:
Absolument. L’échantillonnage instantané est un moyen de contrôler la qualité ou on peut aussi utiliser un analyseur en ligne.

CRAIG GIFFORD:
Eh bien, merci Hassan d’avoir partagé avec nous vos connaissances sur les électrolyseurs. Nous vous sommes très reconnaissants. Et merci à vous d’avoir regardé cette vidéo « Demandez à Swagelok ».