Électrolyse de l'hydrogène

Actuellement, la technologie la plus développée commercialement pour produire de l'hydrogène est celle de l'électrolyse. L'électrolyse est un mode d'action optimiste pour la production d'hydrogène sans carbone à partir de ressources renouvelables et nucléaires. L'électrolyse de l'eau est la décomposition de l'eau (H2O) en ses composants de base, l'hydrogène (H2) et l'oxygène (O2), par le passage d'un courant électrique. L'eau est une source complète pour la production d'hydrogène et le seul sous-produit libéré pendant le processus est l'oxygène. Ce processus utilise de l'énergie électrique qui peut ensuite être stockée comme une énergie chimique sous forme d'hydrogène.

Quel est le processus ?

Pour produire de l'hydrogène, l'électrolyse convertit l'énergie électrique en énergie chimique en stockant des électrons dans des liaisons chimiques stables. Comme les piles à combustible, les électrolyseurs sont composés d'une anode et d'une cathode séparées par un électrolyte aqueux en fonction du type de matériau électrolyte utilisé et des espèces ioniques qu'il conduit. L'électrolyte est une partie obligatoire car l'eau pure n'a pas la capacité de transporter suffisamment de charge car elle manque d'ions. À l'anode, l'eau est oxydée en oxygène gazeux et en ions hydrogène. À la cathode, l'eau est réduite en hydrogène gazeux et en ions hydroxyde. Il existe actuellement trois grandes technologies d'électrolyse.

Electrolyseurs alcalins (AEL)

Cette technologie est utilisée à l'échelle industrielle depuis plus de 100 ans. 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. Fonctionnant à 100°-150°C, les électrolyseurs utilisent une solution alcaline liquide d'hydroxyde de sodium ou de potassium (KOH) comme électrolyte. Dans ce procédé, l'anode et la cathode sont séparées par un diaphragme qui empêche le remélangeage. À la cathode, l'eau est divisée pour former du H2 et libère des anions d'hydroxyde qui traversent le diaphragme pour se recombiner à l'anode où de l'oxygène est produit. Comme il s'agit d'une technologie bien établie, son coût de production est relativement faible et elle offre une stabilité à long terme. Cependant, elle présente un passage de gaz pouvant compromettre son degré de pureté et nécessite l'utilisation d'un électrolyte liquide corrosif.

Electrolyseurs à membrane électrolyte polymère (PEM)

La membrane électrolyte polymère est la dernière technologie à être utilisée commercialement pour produire de l'hydrogène. Dans un électrolyseur PEM, l'électrolyte est un matériau plastique solide et spécialisé. Les électrolyseurs PEM fonctionnent entre 70° et 90°C. Dans ce processus, l'eau réagit à l'anode pour former de l'oxygène et des ions hydrogène chargés positivement (protons). Les électrons circulent dans un circuit externe et les ions hydrogène se déplacent sélectivement à travers le PEM vers la cathode. À la cathode, les ions hydrogène se combinent avec les électrons du circuit externe pour former de l'hydrogène gazeux. Par rapport à l'AEL, il existe plusieurs avantages : la pureté du gaz produit est élevée dans un fonctionnement à charge partielle, la conception du système est compacte et la réponse du système est rapide. Cependant, le coût des composants est élevé et la durabilité est faible.

Electrolyseurs à oxyde solide (SOE)

Les électrolyseurs AEL et PEM sont connus comme des électrolyseurs à basse température (LTE). En revanche, l'électrolyseur à oxyde solide (SOE) est connu sous le nom d'électrolyseur à haute température (HTE). Cette technologie est encore en phase de développement. Dans le SOE, un matériau céramique solide est utilisé comme électrolyte qui conduit les ions oxygène chargés négativement (O2-) à des températures élevées, et génère de l'hydrogène d'une manière légèrement différente. À une température d'environ 700°-800°C, 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 à l'anode pour former de l'oxygène gazeux et générer des électrons pour le circuit externe. Cette technologie présente l'avantage de combiner un rendement thermique et énergétique élevé et de produire de faibles émissions à un coût relativement faible. Cependant, en raison de la chaleur et de la puissance élevées requises, le temps de démarrage est plus long.

Pourquoi l'hydrogène est-il considéré comme un carburant de substitution ?

L'hydrogène est considéré comme un carburant de substitution en vertu de la loi sur la politique énergétique de 1992. L'hydrogène produit par électrolyse peut ne produire aucune émission de gaz à effet de serre, selon la source d'électricité utilisée. Cette technologie est étudiée pour fonctionner avec des options d'énergie renouvelable (éolienne, solaire, hydroélectrique, géothermique) et nucléaire afin de permettre des émissions de gaz à effet de serre et d'autres polluants pratiquement nulles. Cependant, ce type de production nécessitera une réduction significative des coûts pour être compétitif par rapport à des voies plus matures basées sur le carbone, comme le reformage du gaz naturel. Il existe un potentiel de synergie avec la production d'électricité à partir d'énergies renouvelables. La production d'hydrogène et d'électricité pourrait être distribuée et implantée dans des parcs éoliens, ce qui permettrait de modifier la production pour faire correspondre au mieux la disponibilité des ressources aux besoins opérationnels du système et aux facteurs du marché.