Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Électrolyseurs

Un électrolyseur pouvant selon les points de vue être considéré comme un composant ou comme un système, nous publions cette fiche synthétique dans les deux rubriques

Un électrolyseur réalise une réaction électrochimique qui permet de produire de l'hydrogène et de l'oxygène à partir d'eau grâce à une consommation d'électricité, selon la réaction endothermique :

H2O --> H2 + 1/2 O2

Un électrolyseur est composé de deux électrodes, l'anode et la cathode, séparées par un électrolyte.

Technologies

Les électrolyseurs sont actuellement utilisés pour produire de l'hydrogène pur pour un certain nombre d'industries telles que l'électronique, la pharmacie et l'alimentation. Ils sont cependant chers car ils nécessitent de l'électricité. L'électrolyse produit également de l'oxygène gazeux commercialement précieux qui a de nombreuses applications industrielles. Les technologies varient selon la température de fonctionnement et l'électrolyte.

Le procédé alcalin a été développé en premier et est la méthode la plus mûre de production d'hydrogène, avec l'inconvénient d'avoir de mauvaises performances en raison d'une faible efficacité de conversion et d'une consommation d'énergie élevée.

Récemment, la recherche et le développement se sont concentrés sur les cellules à membrane électrolyte polymère (PEM) utilisant un électrolyte polymère solide qui est plus compact et offre une efficacité et une densité de courant plus élevées.

Cependant, à basse température, les performances des électrolyseurs sont assez faibles en raison des barrières thermodynamiques.

La production d'hydrogène par électrolyse à haute température apparaît comme une voie prometteuse, si bien que de nombreuses recherches sont en cours sur ce sujet, notamment sur les électrolyseurs à cellule d'électrolyse à oxyde solide (SOEC), basés sur la technologie des conducteurs ioniques à oxyde solide, telle que celle utilisée pour les piles à combustible à oxyde solide (SOFC).

Modélisation d'un électrolyseur à haute température

L'électrolyse à haute température (HTE) est un procédé avancé qui effectue la réaction d'électrolyse en phase gazeuse, c'est-à-dire à partir de vapeur, à une température comprise entre 750 °C et 950 °C.

A la sortie de l'électrolyseur, l'hydrogène mélangé à de la vapeur d'eau est collecté. La séparation ne pose pas de problème particulier : il suffit de condenser l'eau pour obtenir de l'hydrogène pur.

Un électrolyseur haute température reçoit un mélange d'eau et d'hydrogène (de composition molaire 80% - 20%) à 30 bar et 800 °C. Il en sort deux fluides : l'oxygène et le mélange initial enrichi en hydrogène.

Le modèle que nous présentons est particulièrement simple : il prend en compte comme paramètres la fraction molaire d'hydrogène en sortie α ou l'électricité fournie ΔH, et le « rendement » en kWh/Nm3, qui exprime la quantité d'électricité à fournir pour électrolyser 1 Nm3 d'hydrogène.

Le bilan des espèces est facile à établir. L'électricité apportée sert à électrolyser l'eau et à produire de l'hydrogène et de l'oxygène, et est convertie pour partie en chaleur qui élève la température de l'appareil.

Le modèle et les résultats auxquels il conduit sont présentés dans le document ci-dessous. Il fait appel aux classes externes EHT et EHToutlet disponibles dans la modélothèque.

ModeleElectrolyseur.pdf

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