Comparaison de la consommation d’énergie
Dans cette vidéo, nous avons réalisé une expérience afin de comparer la consommation d’énergie des électrolyseurs PEM et alcalins. L’expérience a montré que, pour un même débit d’hydrogène, l’électrolyseur alcalin consomme plus d’énergie que l’électrolyseur PEM.
1. Introduction
Dans la quête d’une énergie propre et durable, l’hydrogène s’est imposé comme un vecteur énergétique prometteur. L’électrolyse est une méthode couramment utilisée pour produire de l’hydrogène à partir de l’eau ; les deux technologies les plus répandues sont l’électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEM) et l’électrolyseur alcalin. Cet article présente les différences d’électrodes, les avantages, les inconvénients et les applications de ces deux technologies.
2. Différences d’électrode
2.1. Électrolyseur PEM
Les électrolyseurs PEM utilisent une membrane échangeuse de protons comme électrolyte pour séparer l’hydrogène et l’oxygène produits durant l’électrolyse. Les électrodes sont généralement en alliage de titane revêtu d’un catalyseur de métaux du groupe du platine, tels que l’oxyde de ruthénium ou l’oxyde d’iridium. L’hydrogène de très haute pureté obtenu atteint 99,9995 %, la vapeur d’eau étant la principale impureté.
2.2. Électrolyseur alcalin
Les électrolyseurs alcalins utilisent une solution alcaline (généralement de l’hydroxyde de potassium ou de sodium) comme électrolyte. Leurs électrodes sont le plus souvent en acier inoxydable (304 SS, 316L SS) ou en alliage Cu-Ni. L’hydrogène produit présente une pureté inférieure, à 99,98 %, avec des gaz corrosifs et de la vapeur d’eau comme principales impuretés.
3. Avantages et inconvénients
Électrolyseur alcalin
Avantages
Inconvénients
Électrolyseur PEM
Avantages
Inconvénients
4. Applications des générateurs d’hydrogène PEM et alcalin
Les générateurs d’hydrogène PEM et alcalin couvrent un large éventail d’applications : stockage d’énergie, power-to-gas, usages industriels, transport, ainsi que besoins énergétiques résidentiels et commerciaux. Selon le contexte, l’un ou l’autre peut se révéler plus adapté. Voici quelques exemples :
4.1. Stockage d’énergie
Le stockage d’énergie issu de sources renouvelables (solaire, éolien) est l’une des applications les plus prometteuses. L’électricité excédentaire est convertie en hydrogène puis reconvertie en électricité via une pile à combustible ou utilisée directement comme combustible.
4.2. Power-to-Gas
Le power-to-gas consiste à transformer l’énergie électrique en énergie gazeuse (hydrogène ou gaz naturel de synthèse). Cette technologie contribue à équilibrer le réseau et à stocker l’électricité renouvelable.
4.3. Applications industrielles
Les électrolyseurs servent à la production de produits chimiques, de métaux ou de composants électroniques. L’hydrogène agit comme agent réducteur, matière première ou vecteur énergétique.
4.4. Transport
Utilisé dans des véhicules à pile à combustible, l’hydrogène n’émet que de la vapeur d’eau, tout en offrant des autonomies et des temps de ravitaillement comparables aux véhicules essence.
4.5. Énergie résidentielle et commerciale
L’hydrogène peut alimenter chauffage et cuisson, ou être reconverti en électricité par pile à combustible pour les bâtiments.
4.6. Production rapide à petite échelle
Les électrolyseurs PEM sont idéaux pour les applications à petite échelle nécessitant une réponse rapide, comme le kit hydrogène pour camions.
4.7. Production centralisée à grande échelle
Les électrolyseurs alcalins, moins coûteux et à forte capacité, conviennent aux usines de production centralisée malgré un rendement plus faible.
4.8. Intégration aux énergies renouvelables
Grâce à leur temps de réponse rapide, les PEM s’associent parfaitement aux sources intermittentes comme le solaire et l’éolien.
4.9. Applications industrielles nécessitant un hydrogène très pur
Dans la fabrication de semi-conducteurs ou l’industrie pharmaceutique, la pureté accrue fournie par les PEM est déterminante.
4.10. Production en environnement corrosif
Plus tolérants aux impuretés, les électrolyseurs alcalins sont préférés lorsque l’alimentation est potentiellement corrosive.
5. Perspectives d’avenir pour les électrolyseurs PEM et alcalins
Avec la transition énergétique, la demande d’hydrogène « propre » augmente rapidement. Les travaux de R&D visent à améliorer le rendement, à réduire les coûts et à accroître la durabilité.
Dans les prochaines années, les deux technologies resteront essentielles, du stockage d’énergie au transport. À mesure que les coûts baissent, leur adoption et leur impact grandiront.
6. Technologies émergentes et innovations
Afin d’améliorer l’efficacité, de réduire les coûts et de favoriser le passage à l’échelle, de nouvelles pistes sont explorées :
6.1. Électrolyseurs à oxyde solide (SOEC)
Fonctionnant autour de 800 °C, les SOEC offrent un rendement supérieur et peuvent transformer eau et CO₂, mais la haute température pose des défis de matériaux et de durabilité.
6.2. Électrolyseurs à membrane échangeuse d’anions (AEM)
Les AEM pourraient combiner certains avantages des PEM et des alcalins : haut rendement et faible coût. Des progrès sont toutefois nécessaires sur la durabilité des membranes.
6.3. Électrolyseurs à membrane bipolaire
En associant une membrane cationique et anionique, ils permettent l’électrolyse sans électrolyte externe, promettant une conception simplifiée.
6.4. Matériaux et catalyseurs innovants
Le développement de catalyseurs sans métaux précieux pour les PEM, ou de nouveaux matériaux d’électrode pour les alcalins, pourrait réduire les coûts et améliorer les performances.
Comparaison des électrolyseurs PEM, AEM, SOEC et ALK
Nous avons rédigé un article dédié pour vous aider à choisir l’électrolyseur le mieux adapté, en détaillant les différences de technologies et de rendement.
