Électrolyseurs alcalins ou PEM : lequel choisir ?

Électrolyseurs alcalins et électrolyseurs alcalins sous pression : Une technologie robuste pour une large gamme d’applications

Dans le domaine des électrolyseurs, la technologie alcaline est la plus établie et la plus mature. Elle est utilisée depuis des décennies – y compris dans des projets industriels de plus de 100 MW – démontrant en opération réelle ses performances et sa durabilité. Son historique de projets en opération démontre qu’elle est généralement plus facile à opérer, à entretenir et à exploiter. Elle offre le coût d’investissement initial le plus bas grâce à l’utilisation de matériaux plus économiques et au déploiement d’unités de plus grande capacité, ce qui permet de réaliser des économies d’échelle. Sa technologie robuste lui permet de s’adapter à tous les environnements, y compris les environnements industriels difficiles, et elle bénéficie d’une plus grande tolérance vis-à-vis de la qualité de l’eau utilisée.

Sous-section des électrolyseurs alcalins, les électrolyseurs alcalins pressurisés (parfois appelés alcalins 2.0 ou alcalins nouvelle génération) offrent les mêmes avantages que les alcalins, avec l’ajout de certaines caractéristiques innovantes mieux adaptées aux besoins actuels. Toujours produits sans matériaux nobles ou rares, ils ont été repensés pour fonctionner avec plus de réactivité et de dynamisme, ce qui leur permet de répondre à des demandes d’énergie variables, ce qui est fréquent lorsque des énergies renouvelables sont utilisées comme source d’énergie. Ils produisent de l’hydrogène déjà sous pression, ce qui réduit les besoins de compression et apporte ainsi des avantages supplémentaires, notamment une réduction de l’encombrement et des coûts au niveau du système.

Bien que ces deux formes d’électrolyseurs soient utilisées depuis de nombreuses années, la technologie continue encore d’évoluer, apportant des améliorations progressives en termes de performances, de rentabilité et d’efficacité opérationnelle, afin de rester à la pointe des besoins du marché. La recherche de nouveaux matériaux plus performants et le développement d’outils numériques pour les opérations offrent notamment de grandes possibilités d’amélioration.

Électrolyseurs PEM : une technologie imaginée pour les installations à petite échelle ou les applications de haute pureté qui évolue pour servir de nouveaux marchés

Les électrolyseurs PEM sont plus récents que les électrolyseurs alcalins et ont été conçus à l’origine pour les projets de mobilité, qui nécessitent un encombrement optimisé, de la flexibilité et une grande pureté. Ils offrent généralement une pression de sortie plus élevée, ce qui est utile lorsqu’une liquéfaction directe est nécessaire après la production.

Parce qu’ils ont été créés pour répondre aux besoins d’une industrie particulière, ces électrolyseurs comportent des composants sensibles qui peuvent être facilement endommagés ou dégradés lorsqu’ils sont déployés dans d’autres environnements, en particulier pour des applications industrielles. Ces composants sensibles nécessitent notamment l’utilisation de matériaux rares et nobles, qui sont parfois classés dans les matériaux critiques et donc plus difficiles à sourcer. Cela peut entraîner un surcoût de 15 à 30 %* pour les électrolyseurs PEM par rapport aux électrolyseurs alcalins. Enfin, bien que cette technologie présente certaines caractéristiques intéressantes au vu des nouveaux besoins du marché, elle manque encore de données de terrain, notamment sur la dégradation à long terme et n’a pas encore fait ses preuves dans des projets à grande échelle. À l’heure actuelle, le plus grand projet PEM en opération est de 20 MW.

*Sources: Monitor Deloitte, Bloomberg NEF, IRENA and Bloomberg NEF, Electrolysis System Capex could drop 30% by 2030

Comment choisir entre les électrolyseurs alcalins et les électrolyseurs PEM

Il n’existe pas de technologie d’électrolyseur qui soit plus performante que les autres sur tous les paramètres. Cependant, en fonction de votre cas d’utilisation, l’une d’entre elles peut être mieux adaptée à vos besoins. Lorsque vous choisirez entre deux électrolyseurs, vous devrez prendre en compte plusieurs facteurs propres à votre projet : le coût de l’électricité, le type de source d’énergie (stable ou intermittente), la pression nécessaire, l’encombrement, la taille de votre projet et les conditions d’exploitation, entre autres. Lorsque vous évaluerez vos options, vous pourrez également prendre en compte les points clés suivants :

• L’électrolyse alcaline sous pression présente des avantages par rapport à l’électrolyse à pression ambiante (atmosphérique) : Améliorant les performances des électrolyseurs alcalins traditionnels, l’alcalin sous pression nécessite moins d’énergie, suit plus facilement les charges variables des énergies renouvelables et offre la possibilité d’introduire l’hydrogène sous pression directement dans un processus industriel sans passer par des étapes de compression. En outre, en éliminant ou réduisant les besoins de compression, l’électrolyseur alcalin permet de réduire les investissements et les coûts d’exploitation nécessaires pour un compresseur en aval, diminuant les coûts du projet.
• Des stacks et systèmes de grande taille sont plus adaptés à des larges projets : n’oublions pas que les stacks de 5 MW conviennent mieux que les stacks plus petits pour les installations industrielles de production d’hydrogène à grande échelle. Bien que la technologie PEM soit moins encombrante, la taille réduite des piles ne la destine qu’à des applications plus spécialisées où il n’est pas nécessaire de mettre à l’échelle ou de déployer un grand nombre d’électrolyseurs.
• La technologie PEM nécessite des métaux rares et des fluoropolymères coûteux : les électrolyseurs PEM nécessitent des métaux coûteux comme l’iridium et le platine. Ces matériaux contribuent à augmenter le coût global et leur rareté peut mettre en péril la disponibilité des électrolyseurs PEM dans leur ensemble. L’IRENA estime que la production mondiale d’iridium n’est suffisante que pour 10 à 12 GW d’électrolyseurs PEM par an. En outre, les électrolyseurs PEM nécessitent l’utilisation de fluoropolymères pour séparer les électrodes. Les polymères fluorés appartiennent à une classe de produits chimiques appelés substances per- et polyfluoroalkyles (ou PFAS). Connues sous le nom de « produits chimiques éternels », les PFAS se décomposent très lentement dans l’environnement et peuvent persister dans les écosystèmes et le corps humain pendant des décennies. Leur accumulation peut entraîner des problèmes de santé tels que des lésions hépatiques, des maladies thyroïdiennes, obésité, problèmes de fertilité et le cancer.

Il existe de grandes tendances auxquelles il convient de se référer lorsqu’il s’agit d’évaluer les électrolyseurs. En général, les électrolyseurs alcalins sous pression sont les mieux adaptés à la plupart des applications. Les électrolyseurs alcalins pressurisés conviennent aux installations de grande échelle et peuvent être facilement adaptés à l’évolution des besoins. Ils offrent de la flexibilité d’opération, une technologie plus robuste et plus fiable, et un rendement qui répond aux besoins de la plupart des industries. Pour ceux qui travaillent dans le secteur des transports ou dans d’autres industries plus spécialisées, la technologie PEM peut s’avérer être le meilleur choix. Elle présente un encombrement plus faible et permet de produire de l’hydrogène à des niveaux de pureté qui répondent à des exigences exceptionnellement strictes, pour l’utilisation dans des piles à combustible par exemple. Pour les besoins des environnements contrôlés où le risque de contamination est minime et où le besoin de pureté est élevé, la technologie PEM peut être un bon choix.

En détaillant les avantages et les limites de chaque type d’électrolyseur, les entreprises peuvent rassembler les informations nécessaires à la prise de décisions éclairées en fonction de leurs besoins et objectifs spécifiques pour leur production d’hydrogène vert. Lorsque vous choisissez entre les électrolyseurs alcalins, alcalins pressurisés et PEM, veillez à adopter une vision globale qui tienne compte de facteurs tels que l’efficacité, le coût, l’évolutivité et l’adéquation à votre application et vos besoins uniques.
Si votre entreprise explore les différents types d’électrolyseurs disponibles sur le marché, vous pourriez être dépassé par les options qui s’offrent à vous. Depuis plus de 30 ans, John Cockerill conseille les entreprises sur le déploiement d’électrolyseurs à grande échelle. Pour plus d’informations ou d’accompagnement pour votre projet, contactez-nous.