Électrolyseur d'eau pour l'hydrogène

L’électrolyse est une option prometteuse pour la production d’hydrogène sans carbone à partir de ressources renouvelables et nucléaires. L'électrolyse est le processus d'utilisation de l'électricité pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène. Cette réaction a lieu dans une unité appelée électrolyseur. La taille des électrolyseurs peut aller de petits équipements de la taille d'un appareil bien adaptés à la production distribuée d'hydrogène à petite échelle à des installations de production centrales à grande échelle qui pourraient être directement liées à des sources d'énergie renouvelables ou à d'autres formes d'hydrogène non émettrices de gaz à effet de serre. la production d'électricité.

Comment ça marche
Comme les piles à combustible, les électrolyseurs sont constitués d’une anode et d’une cathode séparées par un électrolyte. Différents électrolyseurs fonctionnent de différentes manières, principalement en raison du type différent de matériau électrolytique impliqué et des espèces ioniques qu'il conduit.

Électrolyseurs à membrane électrolytique polymère
Dans un électrolyseur à membrane électrolytique polymère (PEM), l'électrolyte est une matière plastique spéciale solide.

L'eau réagit à l'anode pour former de l'oxygène et des ions hydrogène chargés positivement (protons).
Les électrons circulent à travers un circuit externe et les ions hydrogène se déplacent sélectivement à travers le PEM jusqu'à la cathode.
À la cathode, les ions hydrogène se combinent avec les électrons du circuit externe pour former de l’hydrogène gazeux. Réaction anodique : 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Réaction cathodique : 4H+ + 4e- → 2H2

Électrolyseurs alcalins
Les électrolyseurs alcalins fonctionnent par transport d'ions hydroxyde (OH-) à travers l'électrolyte de la cathode à l'anode, l'hydrogène étant généré du côté de la cathode. Les électrolyseurs utilisant une solution alcaline liquide d'hydroxyde de sodium ou de potassium comme électrolyte sont disponibles dans le commerce depuis de nombreuses années. Des approches plus récentes utilisant des membranes échangeuses alcalines solides (AEM) comme électrolyte se révèlent prometteuses à l’échelle du laboratoire.

Électrolyseurs à oxyde solide
Les électrolyseurs à oxyde solide, qui utilisent un matériau céramique solide comme électrolyte qui conduit sélectivement les ions oxygène chargés négativement (O2-) à des températures élevées, génèrent de l'hydrogène d'une manière légèrement différente.
La vapeur à la cathode se combine avec les électrons du circuit externe pour former de l’hydrogène gazeux et des ions oxygène chargés négativement.
Les ions oxygène traversent la membrane céramique solide et réagissent au niveau de l'anode pour former de l'oxygène gazeux et générer des électrons pour le circuit externe.
Les électrolyseurs à oxyde solide doivent fonctionner à des températures suffisamment élevées pour que les membranes à oxyde solide fonctionnent correctement (environ 700 à 800 degrés, par rapport aux électrolyseurs PEM, qui fonctionnent à 70 à 90 degrés, et aux électrolyseurs alcalins commerciaux, qui fonctionnent généralement à moins de 100 degrés). Les électrolyseurs avancés à oxyde solide à l'échelle du laboratoire, basés sur des électrolytes céramiques conducteurs de protons, semblent prometteurs pour abaisser la température de fonctionnement entre 500 et 600 degrés. Les électrolyseurs à oxyde solide peuvent utiliser efficacement la chaleur disponible à ces températures élevées (provenant de diverses sources, y compris l'énergie nucléaire) pour réduire la quantité d'énergie électrique nécessaire pour produire de l'hydrogène à partir de l'eau.

Pourquoi cette voie est-elle envisagée
L'électrolyse est une voie de production d'hydrogène de premier plan pour atteindre l'objectif de Hydrogen Energy Earthshot consistant à réduire le coût de l'hydrogène propre de 80 % à 1 $ pour 1 kilogramme en 1 décennie ("1 1 1"). L'hydrogène produit par électrolyse peut entraîner zéro émission de gaz à effet de serre, selon la source d'électricité utilisée. La source de l'électricité requise, y compris son coût et son efficacité, ainsi que les émissions résultant de la production d'électricité, doit être prise en compte lors de l'évaluation des avantages et de la viabilité économique de la production d'hydrogène par électrolyse. Dans de nombreuses régions du pays, le réseau électrique actuel n'est pas idéal pour fournir l'électricité nécessaire à l'électrolyse en raison des gaz à effet de serre libérés et de la quantité de carburant requise en raison du faible rendement du processus de production d'électricité. La production d’hydrogène par électrolyse est recherchée pour les énergies renouvelables (éoliennes, solaires, hydroélectriques, géothermiques) et nucléaires. Ces voies de production d’hydrogène génèrent pratiquement zéro émission de gaz à effet de serre et de principaux polluants ; cependant, le coût de production doit être considérablement réduit pour être compétitif avec des filières basées sur le carbone plus matures telles que le reformage du gaz naturel.

Potentiel de synergie avec la production d’énergie renouvelable
La production d’hydrogène par électrolyse peut offrir des opportunités de synergie avec la production d’électricité dynamique et intermittente, caractéristique de certaines technologies d’énergies renouvelables. Par exemple, même si le coût de l’énergie éolienne a continué de baisser, la variabilité inhérente du vent constitue un obstacle à son utilisation efficace. La production d'hydrogène et d'énergie électrique pourrait être intégrée dans un parc éolien, ce qui permettrait de déplacer la production afin de mieux adapter la disponibilité des ressources aux besoins opérationnels du système et aux facteurs du marché. De plus, en période de production excessive d’électricité à partir des parcs éoliens, au lieu de réduire l’électricité comme cela se fait couramment, il est possible d’utiliser cet excès d’électricité pour produire de l’hydrogène par électrolyse.

Il est important de noter...
Le réseau électrique actuel n'est pas la source d'électricité idéale pour l'électrolyse, car la majeure partie de l'électricité est produite à l'aide de technologies qui génèrent des émissions de gaz à effet de serre et sont gourmandes en énergie. La production d’électricité à l’aide de technologies d’énergie renouvelable ou nucléaire, soit séparément du réseau, soit en tant que part croissante du mix réseau, est une option possible pour surmonter ces limitations de la production d’hydrogène par électrolyse.

Dans un processus d’électrolyse, deux processus d’ionisation différents se déroulent simultanément. L'eau et l'électrolyte sont en concurrence dans ce cas.

Un électrolyte subit le même processus d'ionisation que l'eau. La même oxydation et réduction se produirait dans un électrolyte.
Étant donné qu’un anion de l’électrolyte entre en compétition avec les ions hydroxyde pour céder un électron, et qu’un cation entre en compétition avec l’ion hydrogène pour être réduit en acceptant l’électron, un électrolyte doit être choisi avec soin.

Le cation de l’électrolyte doit avoir un potentiel d’électrode inférieur à H+. Rappelez-vous toujours que dans toute électrolyse, le potentiel d'électrode du cation de l'électrolyte doit être inférieur au potentiel d'électrode du cation de la substance électrolysée et le potentiel d'électrode de l'anion de l'électrolyte doit être supérieur au potentiel d'électrode de l'anion de la substance étant électrolysée.

La production d’hydrogène vert à partir de sources d’énergie renouvelables a suscité suffisamment d’intérêt pour l’électrolyse de l’eau pour produire de l’hydrogène. L’électrolyse de l’eau utilisant des sources d’énergie renouvelables sans émissions de CO2 est considérée comme une méthode prometteuse pour augmenter le taux de production d’hydrogène. En 2020, environ 87 millions de tonnes d'hydrogène ont été produites dans le monde pour divers usages, notamment le raffinage du pétrole, la production d'ammoniac (NH3) (via le procédé Haber) et de méthanol (CH3OH) (via la réduction du monoxyde de carbone [CO]), et comme un carburant de transport. La demande en hydrogène devrait atteindre 500-680 millions de tonnes d'ici 2050. Le marché de la production d'hydrogène était évalué à 130 milliards de dollars de 2020 à 2021 et devrait croître à un taux annuel de 9,2 % jusqu'en 2030. Mais il y a un piège : Plus de 95 % de la production actuelle d’hydrogène est basée sur des combustibles fossiles, et très peu d’entre elles sont « vertes ». Aujourd’hui, la production d’hydrogène consomme 6 % du gaz naturel mondial et 2 % du charbon mondial. Néanmoins, les technologies de production d’hydrogène vert gagnent en popularité.

L'électrolyse est un processus qui utilise l'électricité pour diviser l'eau en H2 et O2. Le flux d’électrons à travers un chemin conducteur, tel qu’un fil, est ce qu’est l’électricité. Ce chemin est connu sous le nom de circuit. Les électrons se déplacent en raison de la différence de potentiel électrique entre l'anode et la cathode. L'anode contient plus d'électrons et est plus instable en raison de l'encombrement électronique. Les électrons veulent se réorganiser pour éliminer la différence. Les électrons se repoussent et tentent de se déplacer vers un endroit contenant moins d’électrons. C'est une cathode.
Parce que l’eau pure ne conduit pas l’électricité, la division de l’eau est une lente réaction redox.

Chimie
Dans l'électrolyseur, il y a une cathode et une anode connectées à une source d'alimentation. Les électrons circulent toujours de l’anode à la cathode, quoi qu’il arrive. La cathode est toujours l'endroit où se produit la réduction, donc les électrons doivent être là. L'oxydation est la perte d'électrons et la réduction est le gain d'électrons.
En bref, au niveau de la cathode chargée négativement, une réaction de réduction a lieu, les électrons (e−) de la cathode étant cédés aux cations hydrogène pour former de l'hydrogène gazeux.
Cathode (réduction) :2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Au niveau de l'anode chargée positivement, une réaction d'oxydation se produit, générant de l'oxygène gazeux et donnant des électrons à l'anode pour compléter le circuit.
Anode (oxydation) : 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Une combinaison de ces réactions produit :
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 est produit à la cathode et O2 à l'anode.
L'électrolyse de l'eau nécessite une différence de potentiel minimale de 1,23 volts, bien qu'à cette tension, de la chaleur externe soit nécessaire en provenance de l'environnement.

Les piles de cellules bipolaires d’électrolyse de l’eau sont composées de nombreuses cellules électrochimiques individuelles en série électrique. En pratique, les empilements de cellules d'électrolyse de l'eau qui viennent d'être arrêtés peuvent conserver une charge électrique importante due à l'hydrogène et à l'oxygène résiduels restant au sein de chaque cellule. Laissée à elle-même, cette charge électrochimique résiduelle peut mettre plusieurs heures à se dissiper. Le personnel d'entretien et de maintenance du système doit faire preuve d'une extrême prudence s'il tente de réparer ou de remplacer ces piles de cellules peu après l'opération. Par exemple, un outil métallique tel qu'une clé pourrait par inadvertance combler un espace entre une plaque à bornes de courant positif d'une pile de cellules et un cadre de support métallique mis à la terre, attirant un courant important ou un arc électrique entraînant des dommages et des blessures comme résultat indésirable. Le personnel ne portant pas d'équipement de protection isolant approprié court également un risque.

La meilleure pratique pour le personnel de maintenance et d'entretien consiste à vérifier qu'aucune charge électrique significative ne reste dans la pile de cellules avant de retirer les protections de sécurité et les connexions électriques de la pile de cellules. Il est conseillé au personnel d'effectuer une mesure de tension de la pile de cellules pour vérifier que la pile de cellules est déchargée. Dans certains cas, le personnel de maintenance peut également utiliser un outil de maintenance correctement conçu, composé d'une résistance de court-circuit à courant élevé sur la pile de cellules déchargée, comme protection supplémentaire.

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