Avantages des électrolyseurs pressurisés par rapport aux électrolyseurs atmosphériques

Alors que le monde se tourne de plus en plus vers l’hydrogène en tant que vecteur d’énergie propre, les entreprises cherchent à savoir quelle technologie d’électrolyseur est la plus appropriée pour atteindre leurs objectifs de production. Récemment, les électrolyseurs alcalins pressurisés sont apparus comme un point clé de discussion et de recherche dans ce processus de sélection, et ce pour de bonnes raisons.

Si vous n’avez jamais évalué une technologie alcaline ou un électrolyseur alcalin pressurisé en particulier, nous allons vous présenter l’impact de la pressurisation, ainsi que les avantages techniques et financiers des électrolyseurs alcalins pressurisé par rapport aux électrolyseurs alcalins atmosphériques.

Mais d’abord, pourquoi la production sous pression est-elle si importante ?

La plupart des applications qui utilisent de l’hydrogène nécessitent une pression en entrée supérieure à la pression atmosphérique de 1 bar. En règle générale, les besoins en pression par utilisation finale se situent dans les fourchettes suivantes :

Historiquement, la plupart des technologies alcalines sont atmosphériques, ce qui signifie qu’un compresseur a toujours été nécessaire en plus du système d’électrolyse lui-même. Cependant, la compression de l’hydrogène pose certains problèmes, principalement en raison des propriétés physiques de l’hydrogène. Premier élément du tableau périodique, l’hydrogène est aussi le plus léger, ce qui signifie que sa compression nécessite beaucoup d’énergie. Par exemple, la compression de l’hydrogène à 700 bars nécessite 18 mégajoules d’énergie*, ce qui signifie que si l’hydrogène est stocké à 700 bars, environ 15 % de l’énergie qu’il contient est dépensée pour le comprimer**.

Aujourd’hui, des systèmes pressurisés sont apparus sur le marché comme alternative aux systèmes comportant à la fois des électrolyseurs atmosphériques et des compresseurs. Ceux-ci offrent des avantages significatifs, car ils peuvent produire de l’hydrogène sous pression sans nécessiter de compresseur séparé dans le système. La plupart des systèmes d’électrolyse sous pression disponibles aujourd’hui sont disponibles dans des gammes de pression allant de 10 à 40 bars, ce qui répond à la plupart des besoins. Bien que des électrolyseurs pressurisés pouvant produire jusqu’à 70 bars soient prévus à long terme, ils ne devraient pas voir le jour de sitôt, car ces pressions plus élevées ne sont nécessaires que pour certaines applications spécifiques, telles que le transport, la mobilité ou le stockage. Quoi qu’il en soit, même dans ces cas, l’utilisation d’un électrolyseur alcalin pressurisé présente toujours des avantages, car elle offre des gains d’efficacité plus importants lorsque la compression secondaire commence à 15 bars plutôt qu’à la pression atmosphérique.

Comme vous pouvez le constater, l’avantage de base de l’hydrogène sous pression est sa rentabilité pour la compression, mais ce n’est pas tout.

Les principaux avantages des électrolyseurs pressurisés par rapport aux électrolyseurs atmosphériques

Examinons de plus près les avantages d’un système d’électrolyse sous pression par rapport à un système d’électrolyse atmosphérique, en particulier en ce qui concerne la consommation d’énergie, les investissements nécessaires, l’efficacité de l’installation et la flexibilité de la charge.

1. Une consommation d’énergie réduite

Comme nous le savons, l’hydrogène est une molécule légère, et sa compression consomme plus d’énergie par kilogramme de gaz que celle de tout autre gaz. Nous savons également que l’énergie nécessaire pour le comprimer n’est pas proportionnelle à la pression finale, ce qui signifie que les premiers bars de compression sont les plus gourmands en énergie.

Au niveau du système, cela signifie qu’il y a des avantages significatifs à utiliser des électrolyseurs sous pression, car ils éliminent les premières étapes de compression entre la pression atmosphérique et quelques bars, qui sont encombrantes et consomment beaucoup d’énergie. Le tableau ci-dessous montre l’énergie nécessaire à la compression à 90 bars à partir de 1 bar pour un électrolyseur atmosphérique contre 15 bars pour un électrolyseur pressurisé.

L’utilisation d’un électrolyseur alcalin pressurisé à 15 bars au lieu d’un électrolyseur atmosphérique permet d’économiser 60 % de la consommation d’énergie lors de la compression de l’hydrogène à 90 bars ; lorsque nous ferons le bilan plus loin dans l’article, vous verrez que ces économies sont assez substantielles.
En fonction de la pression finale requise, il est possible qu’un compresseur soit encore nécessaire, mais il serait toujours plus rentable et plus efficace sur le plan énergétique – en réduisant les besoins en électricité – de commencer la compression à partir de quelques bars plutôt qu’à la pression atmosphérique.

2. Réduction des dépenses

L’avantage le plus important du système alcalin sous pression est sans doute la réduction des dépenses d’investissement qu’il permet en éliminant le besoin d’un compresseur séparé. L’utilisation d’un électrolyseur atmosphérique nécessitant un compresseur supplémentaire entraînerait une augmentation de 70 % des dépenses initiales pour un compresseur permettant de comprimer à 90 bars par rapport à un électrolyseur pressurisé commençant à 15 bars.

3. Augmentation de l’efficacité de l’usine grâce à la réduction des coûts d’exploitation, de l’encombrement et de la maintenance

Non seulement l’achat d’un compresseur augmente vos dépenses d’investissement, mais ce compresseur ajoute également un coût proportionnellement égal à vos dépenses d’exploitation*** – des coûts qui seraient éliminés en utilisant un système pressurisé.

L’absence de compresseur permet également de réduire l’encombrement au sol. Le système pressurisé lui-même est également plus petit ; il produit plus d’hydrogène gazeux par unité de volume d’électrolyte, ce qui lui permet d’atteindre les mêmes taux de production qu’un système atmosphérique dans un espace plus restreint. En fin de compte, cette empreinte totale plus petite équivaut à des coûts de construction et d’infrastructure plus faibles.

Enfin, la suppression du compresseur réduit la complexité et les besoins de maintenance du système lui-même grâce à une intégration simplifiée. Cela permet également d’accroître la sécurité et de minimiser les problèmes ou les défaillances potentielles lors de la construction et de l’exploitation du système. Dans l’ensemble, la fiabilité et les performances peuvent être améliorées lorsqu’il y a peu de connexions ou d’interfaces entre les systèmes.

4. Flexibilité de la charge pour les ressources renouvelables

Les électrolyseurs alcalins sous pression offrent également des avantages opérationnels majeurs, car ils offrent une grande flexibilité lorsqu’il s’agit de demandes de variation de capacité ou de charges énergétiques intermittentes provenant de sources d’énergie renouvelables telles que le solaire, l’éolien et l’hydroélectrique. Par rapport aux systèmes atmosphériques, les systèmes pressurisés peuvent suivre la charge renouvelable beaucoup plus facilement grâce à un taux de montée/descente plus élevé. Par exemple, les systèmes alcalins sous pression de John Cockerill Hydrogen ont un taux de montée en puissance de 4 %/seconde, contre ~10 %/minute en moyenne pour les électrolyseurs alcalins atmosphériques. Cela se traduit par une augmentation de 2 000 % des performances des systèmes sous pression. Et comme les systèmes pressurisés offrent des temps de réponse plus courts, ils sont mieux équipés pour répondre aux changements de puissance, ce qui leur permet de rivaliser avec d’autres technologies telles que la membrane échangeuse de protons (PEM) lorsqu’elles sont combinées à des énergies renouvelables.

Mettez-le en pratique : Que gagnez-vous en choisissant la technologie alcaline sous pression ?

Imaginons un projet de 100 MW (20 000 Nm3/h) avec un prix de l’électricité de 25 $/MWh. La durée de vie du projet est de 20 ans avec 8 000 heures de fonctionnement par an. La pression de sortie requise est de 90 bars.
Si vous disposez d’un électrolyseur atmosphérique, vous devrez payer 1,3 million de dollars d’investissements supplémentaires pour un compresseur au début du projet.

La maintenance représente un montant supplémentaire de 1,3 million de dollars à dépenser pendant la durée de vie du projet. Les coûts d’électricité pour la compression jusqu’à 90 bars s’élèvent à 17,6 millions de dollars, soit 10,4 millions de dollars de plus que l’utilisation d’un électrolyseur pressurisé à 15 bars. Le total des coûts supplémentaires liés à l’utilisation d’un électrolyseur atmosphérique au lieu d’un électrolyseur pressurisé s’élève à 13 millions de dollars.

Gardez à l’esprit que ces coûts ne prennent même pas en compte les temps d’arrêt de l’usine pour cause de maintenance ou de disponibilité réduite due au système de compression ! Au total, cela équivaut à une diminution d’environ 130 $/kW sur votre installation simplement en choisissant un électrolyseur pressurisé au lieu d’un électrolyseur atmosphérique.

L’alcalin pressurisé est plus avantageux sur toute la ligne

En ce qui concerne la technologie des électrolyseurs, les avantages des systèmes pressurisés tels que la technologie à 15 bars de John Cockerill Hydrogen par rapport aux piles alcalines atmosphériques sont de plus en plus évidents, car ils permettent d’améliorer l’efficacité de l’usine, de réduire la consommation d’énergie et les dépenses d’investissement, ainsi que la flexibilité de la charge.

En outre, la souplesse d’exploitation, la capacité d’intégration des sources d’énergie renouvelables et la robustesse historique des systèmes alcalins les rendent idéaux pour augmenter la production d’hydrogène dans les applications industrielles qui utilisent des énergies renouvelables. Grâce à l’adoption généralisée de la technologie alcaline sous pression, nous pouvons nous attendre à une avancée significative dans le déploiement de processus de production d’hydrogène propre à grande échelle.

*Eberle, U, Felderhoff, M et Schuth, F, Chemical and Physical Solutions for Hydrogen Storage. Angewandte Chemie-International Edition, 2009. 48(36) : p6608-6630.
**https://www.thechemicalengineer.com/features/the-unbearable-lightness-of-hydrogen/
***La maintenance des compresseurs est estimée à 5 % des investissements initiaux par an.