Electrolyseurs Alcalin et PEM

Electrolyseurs Alcalin et PEM

Electrolyseurs
“Alcalins” et “PEM”

Cette page présente succinctement les différents types d’électrolyseurs courants sur le marché (2020) pour la production d’hydrogène. Vous êtes un professionnel et vous souhaitez plus d’information, contactez-nous pour un échange sur vos besoins détaillés.

L’électrolyse de l’eau est une méthode visant à séparer les molécules d’eau en hydrogène et en oxygène par l’application d’un courant électrique. C’est une réaction qui nécessite un apport d’énergie. Il existe toutefois différentes technologies pour réaliser cette réaction.

Equation générale de l’électrolyse de l’eau

Electrolyse Alcaline

Développée à partir des années 1800, l’électrolyse alcaline est considérée comme celle disposant de la plus grande maturité et de références commerciales.

Principe

Un électrolyte, solution aqueuse d’hydroxyde de potassium (potasse, KOH), possède des ions hydrogènes qui sont réduit à la cathode pour produire du H2 alors que ses ions hydroxydes sont oxydés à l’anode. Du courant passe dans les 2 électrodes et ainsi la réaction s’effectue pour boucler le circuit électrique selon les réactions :

electrolyse alcaline - schéma
Schéma de principe et réactions en jeu dans l’électrolyse alcaline, (Sapountzi et al, , 2017)

La technologie est modulaire : les ensembles de plusieurs paires d’électrodes (stack) sont mises en commun pour obtenir des puissances importantes.

exemple électrolyseur alcalin
Exemple d’électrolyseur alcalin de forte puissance, source Nouryon

La technologie est mature sur les plans techniques et commerciaux. Les principaux fournisseurs sont :

  • NEL,
  • John Cockerill,
  • McPhy
  • Hydrogenics
  • Thyssenkrupp

La filière compte des projets commerciaux de plusieurs MW unitaires par (exemple ce projet d’électrolyse alcaline de 20MW aux pays bas annoncé le 22 Janvier 2020)

electrolyse alcaine - projet 20MW mcphy
Illustration du projet de 20MW en électrolyse alcaline haute pression, Source McPhy 2020

Schéma de principe

schéma electrolyse alcaline
Schéma de principe d’un électrolyseur Alcalin avec ses accessoires (Balance of Plant),  source DOE

Avantages et inconvénients

AvantagesInconvénients
MaturitéGestion de l’électrolyte
CoûtPertes thermique à basse température
Large gamme de puissanceGestion des variations de production
Avantages et Inconvénients de la technologie d’électrolyse alcaline

Les électrolyseurs alcalins sont surtout envisagés pour des projets de forte puissance fonctionnant en continu avec peu de variation

Tendances

Les recherches dans le domaine portent sur l’augmentation de la densité de courant et des pressions de fonctionnement, ainsi que sur la flexibilité dynamique des unités, pour fonctionner avec des sources renouvelables intermittentes.

Electrolyse par membrane à échange de protons (« PEM »)

Développée à partir des années 1960, la technologie PEM (Proton Exchange Membrane), permet de diviser l’eau pure en hydrogène et en oxygène par l’application d’une tension continue. Plus techniquement, des molécules d’eau sont alors oxydées en oxygène et en protons et des électrons sont libérés. Les protons (ions H+-) passent par une membrane conductrice en polymère échangeuse de proton et y forment du gaz hydrogène avec les électrons circulant le long du circuit conducteur extérieur           

electrolyseurs PEM falkenhagen uniper
Exemple de 6 électrolyseurs PEM Hydrogenics en containeur, source Uniper, projet P2G de FalkenHagen (2MW, 360 Nm3/h)

La technologie PEM est mature et disponible commercialement, bien que moins répandue que la technologie Electrolyse Alcaline. La technologie est modulaire : les ensembles de plusieurs paires d’électrodes (stack) sont mises en commun pour obtenir des puissances importantes.

Les principaux fournisseurs de PEM sont :

  • ITM
  • AREVA H2gen (GTT)
  • Ballard
  • Hydrogenics
  • HDF (France)

A noter : certains fabricants intègrent des composants d’autres fournisseurs de technologies

Les rendements et bilan matières sont similaires à l’électrolyse alcaline. Les coûts sont plus élevés en particulier car les électrolyseurs PEM sont mieux adaptés aux petites puissances.

Schéma de principe

schéma electrolyseur PEM DOE
Schéma de principe d’un électrolyseur PEM avec ses accessoires (Balance of Plant) source DOE

Avantages et inconvénients

AvantagesInconvénients
Flexibilité (en fonction des variations de courant)Coûts encore élevés
Pureté du H2 produitDurée de vie du système plus faible
Meilleure densité de courant (moins de matériaux)Matériaux nobles utilisés
Absence d’électrolyte 
Tableau des avantages et inconvénients de l’électrolyse PEM

Les avantages de cette technologie sont :

  • l’absence d’électrolyte liquide,
  • la compacité,
  • la simplicité d’utilisation ,
  • la capacité à tenir des variations rapides de fonctionnement (intéressant pour les sources renouvelables intermittentes).

Cette technologie permet des temps de réponse dynamique rapides (de l’ordre de la seconde), de larges plages opérationnelles et un niveau de pureté de gaz très élevé (99,999%). Cependant le coût de la membrane polymère et l’utilisation d’électro-catalyseurs à base de métaux nobles, conduisent à des équipements aujourd’hui plus onéreux que les électrolyseurs alcalins de même capacité.

Tendances

Malgré des plus faibles puissances unitaires (généralement moins de 5MW en PEM en 2020), on notera le développement de projets de plus en plus grands en PEM.