L’hydrogène est devenu un sujet majeur dans la transition énergétique en raison de son potentiel en tant que vecteur énergétique propre et polyvalent. Une de ses méthodes clés pour la production de l’hydrogène est l’électrolyse de l’eau, qui consiste à séparer les molécules de l’eau en hydrogène et oxygène grâce au courant électrique. Trois types d’électrolyseurs se démarquent du marché aujourd’hui : la membrane à échange de protons (PEM), l’électrolyse alcaline et l’électrolyse à oxyde solide (SOEC). Cet article compare ces trois technologies en termes d’efficacité et de rendement énergétique.
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Électrolyseur à Membrane à Échange de Protons (PEM)
La PEM est largement utilisée pour la production d’hydrogène en temps réel à petite échelle. Elle fonctionne à basse température et utilise une membrane polymère conductrice de protons pour séparer les gaz. La haute efficacité de la PEM repose dans sa capacité à être fonctionnelle avec des densités de courants élevées et à réagir rapidement aux variations de demandes. Cependant, elle nécessite des catalyseurs couteux et des procédures de maintenance strictes. Le rendement énergétique de la PEM est généralement mesuré en kWh par mètres cubes d’hydrogène produit. La PEM peut atteindre jusqu’à 77% d’efficacité.
Électrolyseur à Oxyde Solide (SOEC)
La SOEC fonctionne à des températures élevées et utilise un électrolyte en céramique conductrice d’oxydes ioniques. Bien qu’elle ait besoin d’une chaleur externe pour fonctionner, ce type d’électrolyse peut utiliser la chaleur résiduelle d’une autre processus industriel, améliorant ainsi son efficacité globale. La SOEC a un haut rendement et le potentiel de créer de l’hydrogène d’une façon plus durable en utilisant l’électricité restante des sources d’énergies renouvelables. Les systèmes utilisant le SOEC atteignent des efficacités électriques plus élevées (84% atteints par Sunfire, bien que ce ne soit pas directement comparable avec d’autres technologies étant donné l’entrée de chaleur additionnelle nécessitée dans ce genre de système) et peut être une solution prometteuse où les pertes de chaleurs sont disponibles comme par exemple dans les HUBS industriels étant donné qu’elles requièrent des températures dépassant les 650°.
Électrolyseur Alcalin
L’électrolyse Alcaline utilise une solution alcaline (en général une solution d’hydroxyde de potassium KOH), comme électrolyte. Bien qu’elle soit moins performante que la PEM pour des hautes densités de courants, elle a l’atout d’utiliser des catalyseurs peu couteux et de ne pas avoir besoin de quelque membrane spécifique que ce soit. Cela en fait une option attractive pour les applications à grandes échelles comme la production industrielle d’hydrogène. Son rendement est également mesuré en kWh par mètres cubes d’hydrogène produit. Les électrolyseurs alcalins à taille industrielles ont une efficacité d’approximativement 65% (jusqu’à 67%), ils opèrent généralement entre 60 et 90°C avec des densités de courants de 0.2 à 0.4 A/cm², ce qui lui donne une durée de vie moyenne de 60 000 à 90 000 heures.
Estimation des efficacités globales à travers les années
Électrolyseur Alcalin
| Année | Efficacité Moyenne |
|---|---|
| 2015 | 50% |
| 2016 | 54% |
| 2017 | 56% |
| 2018 | 59% |
| 2019 | 61% |
| 2020 | 62% |
| 2021 | 64% |
| 2022 | 64% |
Électrolyseur SOEC
| Année | Efficacité Moyenne |
|---|---|
| 2015 | 55% |
| 2016 | 59% |
| 2017 | 63% |
| 2018 | 72% |
| 2019 | 74% |
| 2020 | 76% |
| 2021 | 79% |
| 2022 | 81% |
Électrolyseur PEM
| Année | Efficacité Moyenne |
|---|---|
| 2015 | 65% |
| 2016 | 70% |
| 2017 | 74% |
| 2018 | 77% |
| 2019 | 79% |
| 2020 | 81% |
| 2021 | 83% |
| 2022 | 86% |
Comparaison de l’efficacité
La question de la comparaison de l’efficacité de n’importe laquelle de ces technologies n’est pas pour autant facile à répondre puisque l’efficacité de ces différents types d’électrolyseurs dépends de plusieurs facteurs, particulièrement la densité de courant, la pureté de l’eau, la pression et la température, la définition des limites du système et des conditions standards de test. Habituellement, la PEM offre une bonne réactivité et une haute efficacité à charge basse tandis que l’électrolyseur alcalin est mieux adapté aux applications industrielles nécessitant une grosse production en quantités signifiantes. La SOEC a un haut rendement mais ses besoins en températures sont pour l’instant limités aux utilisations à grandes échelles.
En termes de rendement énergétique, les trois technologies présentent des variations dépendant de leurs spécifications techniques et des conditions de travail. C’est aussi important de garder en tête que la température a un effet significatif sur la longévité de l’électrolyseur : plus la température est grande, plus la durée de vie de l’appareil est basse. De surcroit, plus la densité de courant est grande, plus le taux de production d’hydrogène est grand. Cela signifie que les coûts spécifiques pour un électrolyseur augmentent de manière significative pour des faibles densités de courants.
La SOE constitue un concept avancé d’électrolyse à haute températures (600-900°C), dont l’efficacité est plus haute que la PEM et l’électrolyse alcaline. Comme pour les applications pratiques, la SOE rencontre des challenges remarquables en matière de stabilité thermale the matériau, de la mixture de gas et des issues d’isolements. En revanche, la SOE en est toujours au stade de R&D. Comparée à la SOE, la PEM et l’électrolyse alcaline sont disponibles commercialement. La PEM est plus efficace et permets des plus grandes densités de courants que l’électrolyse alcaline. Un désavantage évident de la PEM réside dans son grand coût due à ses composants tolérants à l’acide. De plus, leur durée de vie plus courtes que les électrolyseurs alcalins a aussi empêché leur application à large échelle dans des scénarios de production gazeuses. Contrairement, les électrolyseurs alcalins sont une technologie relativement mature puisqu’elle a été développée depuis plus de 100 ans. Pour les électrolyseurs alcalins commerciaux, la durée de vie peut atteindre jusqu’à 15 ans. Ainsi ils sont très applicables pour des projets d’électrolyse à grande échelle.
Pour conclure, le choix de l’électrolyseur dépends des besoins spécifiques de l’application, de la taille de la production et de la disponibilité des ressources. Tandis que la PEM est idéale aux applications à petite échelle en temps réels, l’électrolyse alcaline et la SOEC sont plus adaptés aux besoins industriels à grandes échelles et aux sources d’énergies renouvelables restantes. La recherche continue dans ces domaines pour améliorer l’efficacité globale et pour rendre la production d’hydrogène plus durable et économiquement viable.
Finalement, je dirais que dans les dernières années un nouveau design d’électrolyseur a démontré des efficacités hautes, l’électrolyseur CAPILLARY FED développé par Hysata qui atteint des records de 90%.
Sources
https://www.iea.org/energy-system/low-emission-fuels/electrolysers
https://www.nature.com/articles/s44172-023-00070-7
https://newatlas.com/energy/hysata-efficient-hydrogen-electrolysis/
https://www.level-network.com/wp-content/uploads/2017/02/ITM-Power.pdf