Amélioration de l'efficacité et de la cohérence des électrolyseurs alcalins alimentés par des sources d'énergie renouvelables

Ingénierie des communications volume 2, Numéro d'article : 22 (2023) Citer cet article

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L’électrolyse alcaline de l’eau à faible coût à partir de sources d’énergie renouvelables (SER) convient à la production d’hydrogène à grande échelle. Cependant, les RES fluctuants entraînent de mauvaises performances des électrolyseurs d’eau alcaline (AWE) à faibles charges. Nous explorons ici deux problèmes de performance urgents : l’inefficacité et l’incohérence. Grâce à une analyse détaillée du processus de fonctionnement des AWE et au modèle électrique équivalent établi, nous révélons que les mécanismes d'inefficacité et d'incohérence des AWE à faible charge sont liés à la structure physique et aux caractéristiques électriques. De plus, nous proposons une stratégie de conversion par électrolyse à auto-optimisation multimode pour améliorer l’efficacité et la cohérence des AWE. En particulier, par rapport à une alimentation CC conventionnelle, nous démontrons, à l'aide d'un AWE disponible à l'échelle du laboratoire et à grande échelle, disponible dans le commerce, que l'efficacité maximale peut être doublée tandis que la plage de fonctionnement de l'électrolyseur peut être étendue de 30 à 100 % à 10 à 10 %. 100 % de la charge nominale. Notre méthode peut être facilement généralisée et peut faciliter la production d’hydrogène à partir des RES.

De nos jours, l’hydrogène fait l’objet d’une grande attention en raison des problèmes environnementaux et climatiques prononcés causés par les énergies fossiles à forte intensité de carbone1,2. Grâce à ses propriétés propres, polyvalentes et légères, l’hydrogène est considéré comme la solution la plus prometteuse pouvant contribuer à réduire les émissions de carbone des transports3, de la métallurgie4, de l’industrie chimique5 et d’autres secteurs6. En conséquence, la demande en hydrogène a connu une croissance exponentielle, atteignant 70 millions de tonnes en 2018 et devrait atteindre 545 millions de tonnes par an en 20507. Cependant, la majeure partie de l'hydrogène mondial est actuellement obtenue par la reformation d'énergies fossiles, qui consomme beaucoup d’énergie et fait que les émissions mondiales de CO2 atteignent plus de 830 millions de tonnes par an7. Pour un développement durable, la production d’hydrogène doit être efficace et respectueuse de l’environnement. Par conséquent, la technologie de production d’hydrogène par électrolyse de l’eau en utilisant l’énergie photovoltaïque excédentaire, l’énergie éolienne et d’autres électricités renouvelables, notamment l’hydrogène vert, est devenue un sujet de recherche brûlant8,9.

Actuellement, il existe trois méthodes électrolytiques à l'hydrogène : les électrolyseurs à oxyde solide (SOE), les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM) et les AWE. Les SOE constituent un concept avancé permettant l’électrolyse de l’eau ou de la vapeur à haute température (600-900 °C)10, dont l’efficacité est supérieure aux électrolyseurs PEM et AWE. Quant à l’application pratique, les SOE relèvent des défis remarquables en matière de stabilité thermique des matériaux, de mélange gazeux et de problèmes d’étanchéité. Les entreprises publiques en sont donc encore au stade de la R&D. Par rapport aux SOE, les électrolyseurs PEM et AWE sont disponibles dans le commerce. Les électrolyseurs PEM sont plus efficaces et permettent des densités de courant plus élevées que les AWE. Un inconvénient évident des électrolyseurs PEM est le coût d’investissement élevé de leurs composants tolérants aux acides tels que la membrane Nafion, les plaques bipolaires en titane et les nouveaux catalyseurs métalliques PT/C et IrO211. En outre, leur durée de vie plus courte que celle des AWE a également entravé leur application dans des scénarios de conversion d’électricité en gaz à grande échelle12. En revanche, les AWE sont une technologie relativement mature qui a été développée sur 100 ans. Pour les AWE commerciaux, les électrocatalyseurs présents sur terre sont suffisamment stables pour exécuter les deux demi-réactions, dont la durée de vie peut atteindre jusqu'à 15 ans. Par conséquent, les AWE sont très adaptés aux projets d’hydrogène électrolytique à grande échelle13,14.

Bien qu'il existe dans la pratique des projets avec des AWE allant jusqu'à 6 MW15, la flexibilité opérationnelle des AWE doit encore être améliorée, en particulier lorsqu'elles sont alimentées par des SER à large plage de fluctuations. Un défi très préoccupant est le problème des impuretés, selon lequel les AWE à faible charge (généralement 25 à 45 % de la charge nominale) pourraient potentiellement conduire à un croisement de gaz entre la cathode et l'anode. Cette impureté va entraîner la formation d'un mélange gazeux inflammable16, notamment pour l'anode où 2 % en volume de H2 dans O2 correspondent à environ 50 % de la limite inférieure d'explosivité. Par conséquent, lorsque les RES fournis, comme l'énergie photovoltaïque, fluctuent fréquemment dans une large plage, les démarrages et arrêts des AWE sont évidemment augmentés pour assurer la sécurité du système. Ces démarrages et arrêts fréquents ont une grande influence sur la stabilité et la qualité de l'énergie du système électrique17,18 ; dans le même temps, les SER ne peuvent pas être entièrement consommées en raison de la faible réduction des charges des AWE. De plus, l'arrêt à long terme provoquera des courants inverses pour les AWE19,20,21, ce qui affectera négativement la durabilité des électrodes. Des modèles stables et dynamiques d'impuretés gazeuses provoquées par le croisement de gaz sont établis, en tenant compte de plusieurs facteurs d'influence. Pour résumer, le problème des impuretés du gaz est causé par deux raisons : le croisement à travers le diaphragme par diffusion de gaz22,23 et le croisement par le mélange d'électrolyte en circulation24,25. Pour améliorer la pureté du gaz pour les AWE à faible charge, plusieurs stratégies sont également proposées. Une membrane échangeuse d'anions26,27 et d'autres nouvelles structures de diaphragme sont développées pour empêcher le croisement à travers le diaphragme par diffusion gazeuse. Partant du même objectif, Qi et al. proposer une stratégie de contrôle de la pression pour étendre la plage de charge des AWE28. D'autre part, Schug régule le taux de circulation de l'électrolyte de manière adaptative pour réduire le croisement dû au mélange d'électrolytes en circulation . Afin de résoudre complètement le problème des impuretés des gaz, un nouveau système d’électrolyse alcaline est conçu30, qui sépare l’évolution de l’hydrogène et de l’oxygène. Mais sa fiabilité doit encore être vérifiée.

15 A), there is an obvious linear relationship between the voltage and current, but with different slopes, the low-load equivalent resistance is much larger than the high-load equivalent resistance. That is, the system parameters or states are changed. (3) In the whole range, the relationship between the electrolytic voltage and electrolytic current does not meet the typical electrolysis hydrogen model presented in refs. 14,33,34./p> the reserve voltage 4.92 V. c 9 V > the reserve voltage 4.92 V. d 15 V > the reserve voltage 4.92 V./p>the reserve voltage of one cell \({U}_{o}\)(namely 1.23 V), the OER occurs on the solid–liquid interfaces of the positive electrode, and the HER occurs on the solid–liquid interfaces of the negative electrode. The hydroxide ions pass through the electrolyte channel and partial cell spaces, as shown in Fig. 4a, then the electrolytic current is generated, which is called the start-up current in this paper. This can explain the experimental results shown in Fig. 3a./p> N\cdot{U}_{o}\) does not mean that \({U}_{{IF}}\, > \,{U}_{o}\). That is, when \({U}_{z}\gg N\cdot{U}_{o}\) or \(I\) is very large, the middle plates produce electrolytic reactions. This can explain the experimental results shown in Fig. 3b,d./p> the reserve voltage 4.92 V./p> the reserve voltage 4.92 V./p>10 kHz) have been reported. However, since the natural mechanisms are not analyzed effectively, the related results about high-frequency pulse electrolysis are confused and cannot be unified38. In ref. 39,40,41,42, the magnitude or mean value of pulse voltages equal to the magnitude of dc voltages, it is concluded that high-frequency pulse can enhance the system efficiency from three possible aspects, namely, reactant concentration, bubble detachment, and electrical double layer. However, for the pulse power supply and dc power supply, the same magnitude or mean value of voltages does not mean the same electric power. Indeed, from the view of energy, high-frequency pulse electrolysis will introduce lots of voltage or current harmonics, which will not produce hydrogen and cause obvious efficiency loss43,44,45. For the proposed MMSOEC strategy, the motivation is totally different from that of ref. 39,40,41,42. The fundamental motivation is based on the macroscopic equivalent circuit; the choice of pulse parameters is well-founded and is greatly different from that of refs. 39,40,41,42./p>