Dans l’industrie de l’énergie hydrogène, les générateurs d’hydrogène PEM et alcalins sont deux technologies principales pour produire de l’hydrogène à partir de l’eau. En tant qu’ingénieur dans ce domaine, on me demande souvent comment nous, les initiés, considérons ces deux approches et quels sont leurs avantages et inconvénients. Je comparerai les technologies PEM et alcaline selon cinq dimensions clés : différences de principe technique, coût et efficacité, scénarios d’application, maturité technique et maintenance, et tendances futures. Cela devrait vous aider à comprendre facilement les différences et à prendre une décision éclairée.

SZPE 600
Générateur d’hydrogène PEM
Générateur d'hydrogène alcalin
Générateur d’hydrogène alcalin

Différences de principe technique

Tout d’abord, couvrons le principe de fonctionnement de base de chaque technologie. Les systèmes PEM et alcalins sont tous deux des types d’électrolyseurs d’eau : ils scindent l’eau (H₂O) en hydrogène (H₂) et en oxygène (O₂) à l’aide de l’électricité. Mais ils le font de manières différentes avec des matériaux différents, ce qui entraîne des caractéristiques très distinctes.

Générateur d’hydrogène PEM (membrane à échange de protons) : Dans un générateur d’hydrogène PEM, l’électrolyte est une membrane solide conductrice de protons. Considérez-la comme un film plastique spécial (généralement un polymère à base d’acide perfluorosulfonique) qui permet aux protons (ions H⁺) de passer, mais bloque les électrons et les gaz. Vous alimentez la cellule PEM avec de l’eau pure. Lorsque l’alimentation en courant continu est appliquée, l’eau du côté de l’anode se décompose en oxygène, protons et électrons. Les protons migrent à travers la membrane vers le côté cathode. Les électrons empruntent un circuit externe (effectuant un travail utile ou, à tout le moins, générant de la chaleur), puis rejoignent les protons à la cathode, où ils se recombinent pour former du gaz hydrogène. La membrane sert également de barrière pour garder séparés les gaz hydrogène et oxygène. Les matériaux clés à l’intérieur d’une cellule PEM incluent la membrane elle-même et les électrodes recouvertes de catalyseurs (généralement utilisant des métaux précieux comme le platine à la cathode et l’iridium ou équivalent à l’anode). Tout dans une cellule PEM est conçu pour être résistant à la corrosion, car l’environnement est acide (la membrane est un acide). Par exemple, les plaques bipolaires et la quincaillerie sont souvent en titane ou en métal revêtu pour résister à l’acide.

  • Générateur d’hydrogène alcalin : Un générateur d’hydrogène alcalin utilise un électrolyte liquide, généralement une solution alcaline concentrée comme l’hydroxyde de potassium (KOH) dans de l’eau. Il comporte deux électrodes (à base de nickel ou d’autres métaux peu coûteux) immergées dans l’électrolyte, séparées par un diaphragme poreux. Le diaphragme (historiquement de l’amiante, maintenant souvent des polymères avancés) permet le passage des ions tout en gardant les gaz séparés. Lorsque l’on applique une alimentation, à la cathode, les molécules d’eau sont réduites : H₂O + électrons → H₂ + OH⁻ (ions hydroxyde). Les ions OH⁻ migrent à travers le liquide et le diaphragme vers l’anode, où ils sont oxydés : OH⁻ → O₂ + H₂O + électrons. Le résultat net est que l’hydrogène se forme sous forme de bulles à la cathode et l’oxygène à l’anode, le diaphragme empêchant leur mélange. L’environnement alcalin signifie que tout est imbibé d’une solution à pH élevé (caustique), donc les matériaux doivent supporter cela (acier inoxydable, nickel, etc., ce qu’ils peuvent généralement faire sans nécessiter de métaux précieux).

Alors, quelle est la différence pratique entre ces approches ? Examinons-en quelques-unes :

  • Matériaux et coût : Parce qu’un électrolyseur PEM fonctionne dans un environnement fortement acide (à l’intérieur de l’assemblage de la membrane électrode), il exige des catalyseurs et du matériel capables de résister à cela. Cela signifie généralement des métaux du groupe platine pour les catalyseurs et des métaux résistants à la corrosion comme le titane pour certains composants, ce qui est coûteux. Les électrodes d’un système alcalin, en revanche, n’ont pas besoin de catalyseurs en métaux précieux : ils peuvent utiliser des métaux moins chers comme le nickel ou l’acier nickelé pour les électrodes, et des séparateurs moins exotiques. Les électrodes des systèmes alcalins n’ont pas de platine, ce qui est une raison majeure pour laquelle la technologie alcaline a historiquement un coût inférieur. En contrepartie : l’électrolyte KOH est également corrosif, mais c’est un type de corrosion que des matériaux moins coûteux (comme certains aciers inoxydables ou alliages) peuvent supporter pendant de longues périodes, ce qui évite les coûts de matériaux très haut de gamme.
  • Densité de courant et taille : Les cellules PEM fonctionnent généralement à des densités de courant beaucoup plus élevées que les cellules alcalines. Il est courant que le PEM fonctionne à plus de 1 A/cm² de surface d’électrode, ce qui représente au moins 4 fois la densité de courant d’une cellule alcaline classique. En termes simples, vous pouvez produire beaucoup plus d’hydrogène par unité de surface active dans un système PEM. Cela rend les systèmes PEM plus compacts pour la même production. Vous entendrez peut-être dire en interne que les électrolyseurs PEM ont une empreinte plus petite pour une capacité hydrogène donnée. Les systèmes alcalins, fonctionnant à une densité de courant plus faible, nécessitent généralement des électrodes plus grandes ou plus de cellules pour produire la même quantité de H₂. (Pour être juste, les électrolyseurs alcalins modernes ont quelque peu amélioré la densité de courant, mais le PEM reste en tête sur cet aspect.) Les cellules PEM utilisent également une conception à écart zéro (les électrodes sont pressées directement contre la membrane), ce qui réduit la résistance interne et améliore l’efficacité. Les cellules alcalines avaient historiquement un écart entre l’électrode et le diaphragme (pour permettre la circulation de l’électrolyte), ce qui ajoutait de la résistance et limitait la performance – bien que les nouveaux designs alcalins s’efforcent également de minimiser cet écart.
  • Pureté du gaz : Parce que la membrane d’un électrolyseur PEM est solide et qu’il n’y a pas d’électrolyte liquide mélangé aux gaz, l’hydrogène issu du PEM est de très haute pureté : généralement 99,999 % environ, essentiellement sans contaminants. Les électrolyseurs alcalins produisent un hydrogène légèrement moins pur, généralement autour de 99,5 %–99,9 %. L’hydrogène peut transporter de minuscules gouttelettes de KOH ou de vapeur d’eau s’il n’est pas correctement séché. En règle générale, les systèmes alcalins incluent des étapes de purification des gaz (comme des pare-gouttes, des séchoirs, etc.) pour atteindre une haute pureté de H₂. Mais intrinsèquement, l’hydrogène PEM est plus propre, ce qui est un avantage majeur si vous avez besoin d’hydrogène ultra-pur (par exemple, pour l’électronique ou les piles à combustible). En interne, on indiquera que le PEM peut atteindre la spécification de pureté sans purification supplémentaire, tandis que l’alcalin peut nécessiter un filtrage/purification supplémentaire pour certains usages sensibles.
  • Flexibilité de fonctionnement : Il s’agit d’une différence clé. Les électrolyseurs PEM ont une excellente réponse dynamique : ils peuvent monter et descendre rapidement en régime, et même rester inactifs puis commencer à produire de l’hydrogène à pleine puissance en quelques secondes. Cela les rend idéaux pour des apports d’énergie variables comme les sources d’énergie renouvelable qui fluctuent. Vous pouvez mettre en marche, arrêter ou moduler un électrolyseur PEM sans trop de perte d’efficacité ou d’usure (dans des limites raisonnables). Les électrolyseurs alcalins, quant à eux, préfèrent généralement un fonctionnement en régime permanent. Ils ont souvent une plage de turndown plus limitée : par exemple, ils ne fonctionnent bien qu’à environ 20 % de la charge maximale, en dessous de laquelle la pureté des gaz et l’efficacité en souffrent. De plus, si vous arrêtez et redémarrez brusquement une unité alcaline, vous pouvez générer des transitoires de pression et de concentration qui ne sont pas idéaux pour le système. Un contrôle avancé peut atténuer cela, mais en pratique, les unités alcalines sont généralement exploitées en continu ou avec des ajustements lents. Donc, pour des scénarios d’alimentation électrique on/off/on/off, le PEM est généralement vu comme la technologie la plus adaptée dans l’industrie. Cela ne signifie pas que l’alcalin ne peut pas gérer des fluctuations, c’est juste plus compliqué (par exemple, en ajoutant des systèmes tampon ou en faisant fonctionner dans une plage plus étroite).
  • Température et pression : Les deux PEM et alcalin sont généralement des électrolyses à basse température (par opposition à l’électrolyse à haute température avec des oxydes solides). Ils fonctionnent autour de 50 – 80 °C. Les systèmes alcalins fonctionnent historiquement près de la pression atmosphérique (0 – 30 bar typiquement, beaucoup autour de 1 – 10 bar). Les systèmes PEM peuvent être conçus plus facilement pour délivrer de l’hydrogène à haute pression : par exemple, certains électrolyseurs PEM peuvent fournir du H₂ à 30 bar ou plus directement. La membrane solide peut agir comme barrière de pression (vous pouvez avoir de l’H₂ à haute pression du côté cathode et de l’O₂ proche de l’atmosphérique du côté anode). C’est plus difficile avec l’alcalin car toute la cellule est remplie de liquide ; la mettre sous pression signifie que tout (à la fois les côtés hydrogène et oxygène ainsi que le liquide) est sous pression. Ainsi, le PEM s’intègre bien aux applications nécessitant de l’hydrogène sous pression (comme l’injection dans les réseaux ou le ravitaillement), éliminant parfois la nécessité d’un compresseur séparé.
  • Corrosivité et sécurité : Les électrolyseurs alcalins utilisent un liquide caustique (KOH) qui est corrosif et présente un risque lors de la manipulation. Cela signifie que le système nécessite des pompes, réservoirs et tuyaux pour l’électrolyte, tous devant être résistants aux bases chaudes concentrées. Le personnel de maintenance doit faire attention aux fuites ou contacts avec le KOH (c’est glissant et peut brûler la peau). Les électrolyseurs PEM, en revanche, n’utilisent que de l’eau pure et une membrane solide – pas de liquide caustique circulant. La partie corrosive reste essentiellement confinée à l’intérieur de la membrane et des couches de catalyseur. Ainsi, en dehors de la pile, un système PEM est surtout composé d’eau, d’hydrogène et de tuyauterie pour l’oxygène : beaucoup plus sûr en cas de fuite. Cette différence est souvent mentionnée pour les systèmes de petite taille ou mobiles : transporter des réservoirs de KOH ou gérer leur élimination est un inconvénient pour l’alcalin. Les unités PEM sont plus propres et plus simples à exploiter à cet égard.

Comparaison des coûts et de l’efficacité

En termes de coût, de nombreux spécialistes de l’industrie reconnaissent que les générateurs d’hydrogène alcalins ont un prix initial plus bas car ils utilisent des matériaux plus courants et moins coûteux. En revanche, les générateurs d’hydrogène PEM intègrent des catalyseurs en métaux nobles et des membranes spécialisées, ce qui rend leur coût unitaire plus élevé par système. Cependant, dans les projets à grande échelle, les systèmes PEM peuvent finir par avoir des dépenses d’exploitation et de maintenance plus faibles sur le long terme : une analyse suggère même que le coût total de possession d’une installation PEM peut être inférieur à celui d’une installation alcaline à long terme, avec des coûts de maintenance PEM estimés à environ un tiers de ceux d’une installation alcaline. En termes d’efficacité, les unités PEM atteignent généralement environ 70 – 80 % d’efficacité énergétique, généralement un peu plus élevé que les systèmes alcalins. Cela dit, l’électrolyse alcaline est une technologie bien rodée qui offre des performances stables à haute charge, donc lorsqu’on pèse « coût vs. efficacité », le choix optimal dépend vraiment des besoins et priorités spécifiques d’un projet.

Scénarios d’application

Chaque technologie a ses points forts dans différents scénarios. Les installations hydrogène industrielles de grande envergure (comme celles dans les usines chimiques ou les aciéries) favorisent souvent les générateurs d’hydrogène alcalins car ils offrent une production élevée d’hydrogène à moindre coût et peuvent être facilement montés en échelle. Dans le secteur des transports (par exemple, aux stations de ravitaillement en hydrogène pour véhicules à pile à combustible), les systèmes PEM sont souvent considérés comme mieux adaptés en raison de leur pureté d’hydrogène plus élevée et de leurs performances plus réactives. Pour les installations qui doivent monter et descendre rapidement avec une énergie renouvelable fluctuante, la capacité de réponse rapide du PEM est un grand avantage. De plus, pour les systèmes d’hydrogène à petite échelle ou domestiques, les unités PEM — fonctionnant uniquement à l’eau pure sans électrolyte liquide caustique — sont plus simples à entretenir. Cela signifie également qu’ils présentent des risques de sécurité moindres, les rendant plus rassurants à utiliser dans des environnements non industriels. Il convient de noter que les deux technologies sont assez polyvalentes et peuvent fonctionner dans la plupart des secteurs ; les experts de l’industrie les associent généralement aux besoins spécifiques décrits ci-dessus pour recommander la solution appropriée aux clients.

Maturité technique et maintenance

En termes de maturité, l’électrolyse alcaline est le « vieux de la vieille » de l’industrie — elle existe depuis près d’un siècle et a démontré une durabilité fiable dans de grands projets industriels (certains de l’ordre de plus de 100 MW). La technologie PEM, en comparaison, est la nouvelle concurrente ; elle a été commercialisée depuis moins longtemps, les plus grands projets PEM atteignant actuellement seulement l’ordre de 20 MW, il existe donc moins de données à long terme à cette échelle pour le moment. En ce qui concerne la maintenance, un système alcalin utilise un électrolyte liquide d’hydroxyde de potassium (KOH), ce qui implique un entretien régulier pour des composants tels que les pompes et les vannes et une gestion attentive du liquide caustique ; l’avantage est que les unités alcalines ne sont pas très exigeantes en qualité d’eau et peuvent même utiliser de l’eau industrielle standard sans problème. Les systèmes PEM, par contre, n’ont pas de grands réservoirs d’électrolyte liquide à gérer, ce qui simplifie la maintenance de routine. Cependant, ils exigent une eau déminéralisée extrêmement pure et une surveillance stricte pour empêcher toute impureté d’endommager la membrane et les catalyseurs. En résumé, les équipements alcalins l’emportent en termes de stabilité éprouvée et de pratiques de maintenance bien comprises, tandis que les équipements PEM réduisent les tâches de service quotidiennes mais imposent des exigences plus élevées sur leur environnement de fonctionnement et la pureté de leur alimentation.

Tendances futures et préférences de l’industrie

À l’avenir, on s’attend généralement dans l’industrie à ce que les deux technologies d’électrolyse progressent en parallèle et se complètent mutuellement. À court terme, on prévoit que les électrolyseurs alcalins conserveront leur dominance : actuellement, on estime que 70 – 90 % de la nouvelle capacité d’électrolyseur dans le monde provient de la technologie alcaline, une tendance susceptible de se poursuivre dans les prochaines années. Cependant, à mesure que la technologie s’améliore et que les coûts diminuent, l’intérêt pour le PEM augmente, et de plus en plus d’entreprises envisagent des options PEM pour leurs nouveaux projets hydrogène. De nombreux experts soulignent que le PEM possède encore un potentiel significatif de réduction des coûts et d’amélioration des performances, tandis que la technologie alcaline est déjà proche du bas de sa courbe de coût. Par exemple, des efforts sont en cours pour réduire la dépendance du PEM aux catalyseurs en métaux précieux et pour développer de nouveaux matériaux de membrane, ce qui pourrait réduire les coûts et atténuer les contraintes de ressources ; parallèlement, les systèmes alcalins sont améliorés avec des innovations telles que des pressions de fonctionnement plus élevées et un contrôle numérique pour optimiser encore leurs performances. Globalement, la vision de l’industrie est que chaque technologie servira sa propre niche : les électrolyseurs alcalins resteront la solution de référence pour la production d’hydrogène de base à grande échelle, tandis que les électrolyseurs PEM joueront un rôle de plus en plus important dans les applications nécessitant une réponse plus dynamique, un hydrogène de pureté supérieure ou une intégration étroite avec les énergies renouvelables. Avec une demande pour l’hydrogène vert qui devrait exploser (la capacité mondiale d’électrolyse est prévue pour passer de moins d’1 GW aujourd’hui à plusieurs dizaines de gigawatts au cours de la prochaine décennie), les deux technologies ont un vaste potentiel de croissance. En fait, la plupart des acteurs du secteur considèrent les systèmes alcalins et PEM comme des solutions complémentaires qui feront avancer ensemble le secteur de l’hydrogène.

Conclusion

En résumé, du point de vue d’un initié de l’industrie, les générateurs d’hydrogène PEM et alcalins ont chacun leurs points forts : il n’y a pas de « gagnant » universel entre eux. Les systèmes alcalins sont des solutions éprouvées, économiques et bien adaptées à une production d’hydrogène importante et stable, tandis que les systèmes PEM sont flexibles et efficaces, produisant un hydrogène ultra-pur et excellant dans les scénarios nécessitant une réponse rapide et une pureté élevée du gaz. Pour les clients potentiels, l’essentiel est d’identifier vos besoins et priorités spécifiques, puis de choisir la technologie qui correspond le mieux à ces exigences. Si vous avez un doute, il est conseillé de consulter des experts du secteur ou de nous contacter pour obtenir un avis professionnel. Après tout, quelle que soit la technologie choisie, l’objectif ultime est de mettre en place une solution d’hydrogène vert rentable et durable — et c’est le résultat que toute l’industrie s’efforce d’atteindre.