Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
L’électrolyse de l’eau à membrane polymère acide - PEM - est une technologie prometteuse permettant la production d’hydrogène et d’oxygène de grande pureté, répondant aux enjeux énergétiques et environnementaux actuels. Cet article expose les fondements théoriques sous-jacents, décrit le fonctionnement des cellules élémentaires et le rôle des composants clés tels que les électrocatalyseurs et les membranes polymères, et dresse la liste des équipements auxiliaires nécessaires au bon fonctionnement des machines. Les principales applications industrielles sont présentées. Les niveaux de performance atteignables et les limitations et perspectives d’amélioration sont également analysés et discutés.
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Pierre MILLET : Docteur-ingénieur de l’Institut national polytechnique de Grenoble - Professeur à l’université Paris-Saclay - Directeur scientifique chez Elogen - Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay-UMR 8182 – Université Paris-Saclay, Orsay, France
INTRODUCTION
L’électrolyse de l’eau permet d’obtenir de l’hydrogène et de l’oxygène de grande pureté, traditionnellement utilisés dans différents secteurs industriels tels que l’industrie alimentaire, l’industrie des semiconducteurs, ou les applications spatiales et sous-marines. Au cours des dernières décennies, l’évolution du contexte énergétique et la nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre a provoqué un regain d’intérêt pour la production d’hydrogène électrolytique (vecteur énergétique) à partir de sources d’énergies renouvelables. En dépit d’un coût d’investissement encore élevé, du fait de l’utilisation d’électrocatalyseurs à base de métaux précieux et d’ionomères fluorés, la technologie à membrane polymère acide (plus connue sous l’acronyme anglo-saxon PEM qui signifie « Proton-Exchange Membrane » ou « Polymer Electrolyte Membrane ») présente une complémentarité voire des avantages importants par rapport à la technologie alcaline de référence. En particulier, l’absence d’électrolyte liquide corrosif permet de concevoir des électrolyseurs fiables, fonctionnant en régime transitoire sous haute pression voire sous différentiel de pression, sous forte densité de courant et avec des rendements énergétiques élevés. L’objectif de cet article est de fournir une analyse détaillée du fonctionnement et des performances des électrolyseurs PEM, tout en explorant les défis technologiques et économiques associés à cette technologie. Ce travail s’inscrit dans un contexte technico-économique où l’électrolyse de l’eau est vue comme un levier essentiel pour la production d'hydrogène vert, en lien avec les politiques énergétiques actuelles visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre. À travers une exploration des fondements théoriques, des composants clés, des fonctionnalités auxiliaires et des performances, cet article vise à fournir aux acteurs industriels et scientifiques une compréhension claire des opportunités et des obstacles associés à cette technologie de production d'hydrogène propre.
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
Efficacité énergétique Électrolyse de l'eau Membrane échangeuse de protons Réacteur électrochimique
VERSIONS
- Version archivée 1 de sept. 2007 par Pierre MILLET
DOI (Digital Object Identifier)
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Accueil > Ressources documentaires > Énergies > Hydrogène > Procédés de production de l'hydrogène > Électrolyse de l'eau à membrane polymère acide > Limitations et perspectives
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Conclusions7. Limitations et perspectives
7.1 Teneurs en métaux précieux
Une analyse superficielle de la situation pourrait laisser penser que les réserves disponibles et le prix de l’iridium (environ 130 k€.kg−1 en 2025) empêcheront la technologie PEM de se développer à l’échelle du GW. En fait, l’électrochimie est essentiellement une science des interfaces. Des progrès très significatifs ont été réalisés au cours des dernières années pour réduire de manière significative les quantités de métaux précieux utilisées. La figure 23 montre par exemple qu’en passant d’un chargement de l’ordre de 2 mg.cm−2 (une valeur usuelle lors des premières applications apparues dans les années 1980) à 60 µg.cm−2 (des valeurs qu’il est possible d’atteindre grâce à des techniques de dépôt particulières), la quantité d’iridium nécessaire pour un GW d’électrolyseur descend en-dessous de la dizaine de kg. Le défi pour l’ingénieur est de parvenir à faire fonctionner les stacks avec aussi peu de catalyseur sur des durées au moins égales à 70 000 heures, voire jusqu’à 100 000 heures. Le paradoxe, c’est que plus les teneurs sont faibles, plus elles deviennent difficiles à récupérer et à recycler en fin de vie.
HAUT DE PAGE7.2 Compacité et empreinte au sol
Il existe une relation directe entre le coût d’investissement (CAPEX) et la densité de courant à laquelle un électrolyseur peut fonctionner. À isoefficacité énergétique (c’est-à-dire à isotension de cellule), la densité de courant qu’il est possible d’atteindre dépend directement de l’épaisseur de la membrane utilisée comme électrolyte polymère (figure 24). À l’échelle du laboratoire, il a été montré que des densités de courant aussi élevées que 20 A.cm−2 pouvaient être atteintes. Dans l’industrie, le standard se situe plutôt aux alentours de 1,5-3,0 A.cm−2 (ce qui démontre au passage le large potentiel inexploité de cette technologie)....
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Limitations et perspectives
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - TRASATTI (S.) - 1799-1999 : Alessandro Volta’s ‘Electric Pile’. - In : Journal of Electroanalytical Chemistry, vol. 460, p. 1-4 – 10.1016/S0022-0728(98)00302-7 (1999).
-
(2) - DE LEVIE (R.) - The electrolysis of water. - In : Journal of Electroanalytical Chemistry, vol. 476, p. 92-93 – 10.1016/S0022-0728(99)00365-4 (1999).
-
(3) - LEROY (R.L.), BOWEN (C.T.), LEROY (D.J.) - The Thermodynamics of Aqueous Water Electrolysis. - In : Journal of The Electrochemical Society, vol. 127, p. 1954-1962 – 10.1149/1.2130044 (1980).
-
(4) - The European Hydrogen Backbone (EHB) initiative. - https://ehb.eu/ [s.d.].
-
(5) - HANKE-RAUSCHENBACH (R.), BENSMANN (B.), MILLET (P.) - Hydrogen production using high-pressure electrolyzers. - In : Compendium of Hydrogen Energy, Elsevier, p. 179-224 – https://doi.org/10.1016/B978-1-78242-361-4.00007-8 (2015)
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Chemours :
DuPont Fuel Cells :
https://www.dupont.com/industries/energy.html
Elogen :
NEL hydrogen Hydro :
https://nelhydrogen.com/water-electrolysers-hydrogen-generators/
Plug Power :
Siemens Energy :
HAUT DE PAGE1.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform :
Hydrogen Europe :
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