Production efficace d'hydrogène et de produits chimiques
Le prix Joseph von Fraunhofer 2026 récompensera une pile d'électrolyse à haute température innovante
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L'hydrogène vert est considéré comme une technologie clé pour la décarbonisation de l'industrie. À ce jour, cependant, des lacunes en matière d'efficacité de production, de coût et d'évolutivité l'ont empêché de percer. Mihails Kusnezoff, Stefan Megel et Sindy Mosch, de l'Institut Fraunhofer pour les technologies et systèmes céramiques (IKTS), ont mis au point une pile d'électrolyse à haute température qui établit de nouvelles normes à l'échelle mondiale : elle produit de l'hydrogène avec une efficacité sans précédent, peut également fonctionner comme une pile à combustible et est conçue pour une production en série à l'échelle industrielle. Cette technologie a valu aux trois chercheurs le prix Joseph von Fraunhofer 2026.
L'électrolyse à haute température est un procédé hautement efficace de production d'hydrogène qui consiste à séparer la vapeur d'eau en hydrogène et en oxygène dans une cellule d'électrolyse. Son principal avantage : les températures élevées permettent d'utiliser la chaleur industrielle résiduelle comme source d'énergie directe pour la réaction. Cela réduit la consommation d'électricité coûteuse, accélère les réactions électrochimiques et améliore considérablement le rendement global.
Une nouvelle approche scientifique et méthodologique du Fraunhofer IKTS
Les chercheurs du Fraunhofer IKTS poursuivent depuis plus de deux décennies un objectif extrêmement ambitieux : rendre les piles à combustible et les électrolyseurs à haute température si puissants, robustes et rentables qu'ils ne se contentent pas de soutenir la transition énergétique, mais qu'ils puissent l'accélérer de manière significative. « Dès le départ, notre objectif était de jeter un pont entre les électrons et les molécules », explique Mihails Kusnezoff, chef du département Matériaux et composants et responsable Énergie au Fraunhofer IKTS. L'approche de l'équipe du Fraunhofer IKTS diffère considérablement de celle de nombreux concurrents : au lieu de développer des concepts distincts pour les électrolyseurs et les piles à combustible, les chercheurs ont créé un système capable de fonctionner dans les deux modes. Cela a constitué un défi majeur, comme l’explique M. Kusnezoff : « Alors que le fonctionnement des piles à combustible nécessite une faible résistance et des tensions élevées, l’électrolyse exige une stabilité à long terme et un fonctionnement pratiquement thermoneutre avec des gradients de température minimaux. »
Une pile polyvalente adaptée à la production de masse
En laboratoire, les chercheurs ont mis au point de nouveaux matériaux pour les électrolytes et les électrodes et ont optimisé les microstructures afin de construire des cellules hautement performantes. « Ce n’est qu’en combinant plusieurs cellules que l’on obtient ce que l’on appelle une pile. C’est le cœur du système et cela facilite la mise à l’échelle nécessaire pour produire de l’hydrogène en quantités industrielles », explique Sindy Mosch, chercheuse et membre du groupe de travail « Matériaux pour systèmes imprimés » au Fraunhofer IKTS. La percée technique a finalement été réalisée grâce à une combinaison d’innovation matérielle, d’optimisation de la conception et d’une attention constante portée à l’industrialisation. « Nous avons dû apprendre à considérer les effets électrochimiques, thermiques et mécaniques comme un système intégré. Ce n’est qu’en coordonnant précisément la microstructure, le comportement au frittage et les couches protectrices que nous avons pu développer une cellule capable de fonctionner de manière fiable pendant des années, tant dans les conditions exigeantes de l’électrolyse qu’en mode pile à combustible », déclare Sindy Mosch.
La pile du Fraunhofer IKTS fonctionne de manière fiable dans une plage de température étendue de 750 °C à 850 °C, un facteur qui joue un rôle crucial dans la durée de vie d’un électrolyseur. Dans cette plage de température, il est possible non seulement de convertir la vapeur d’eau et le CO₂ en gaz de synthèse par électrolyse, mais aussi d’utiliser divers combustibles tels que le gaz naturel, le biogaz, le méthanol, l’éthanol et même l’ammoniac vert en mode pile à combustible pour la production d’électricité.
Du laboratoire à l'usine : production pilote à Arnstadt
Parallèlement, l’équipe s’est penchée sur la question de la mise à l’échelle industrielle en repensant la plaque bipolaire métallique afin qu’elle puisse être fabriquée efficacement en une seule opération d’emboutissage, tout en développant des procédés de revêtement évolutifs pour les électrodes et les couches de contact/protection. « Pour nous, une chose était claire : la technologie ne peut contribuer à la transition énergétique que si elle fonctionne en usine et pas seulement en laboratoire », souligne Stefan Megel, responsable du groupe Ceramic Energy Converters au Fraunhofer IKTS.
La maturité industrielle de cette technologie a également impressionné les acteurs du secteur : thyssenkrupp nucera a identifié la pile nouvellement développée comme une solution particulièrement efficace et prometteuse dans le domaine de l’électrolyse à haute température. En seulement 14 mois, le Fraunhofer IKTS a mis en place une ligne de production pilote partiellement automatisée sur son site d’Arnstadt, posant ainsi les bases d’une montée en puissance avec son partenaire industriel thyssenkrupp nucera. « La phase pilote a démontré que nos piles allient l’excellence scientifique à une production évolutive et rentable, pouvant atteindre le niveau du gigawatt », explique Stefan Megel.
Une technologie clé pour la décarbonisation industrielle
Le développement des piles au Fraunhofer IKTS a non seulement établi de nouvelles normes en matière d’efficacité et de polyvalence technologique, mais il ouvre également la voie à l’utilisation industrielle de l’électricité et de la chaleur résiduelle pour une production hautement efficace d’hydrogène et de gaz de synthèse. L’équipe du Fraunhofer IKTS contribue ainsi directement à la transition énergétique mondiale tout en renforçant la compétitivité de l’Allemagne en tant que site industriel.
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