Un coup de pouce à l'innovation pour l'économie de l'hydrogène : diagnostics en temps réel pour les électrolyseurs et les piles à combustible en service
Optimiser la capacité de charge et le rendement, prolonger la durée de vie et réduire les coûts d'exploitation : un bond technologique au potentiel considérable
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L'utilisation de l'hydrogène est un élément clé de la décarbonisation, mais garantir le fonctionnement à long terme des électrolyseurs et des piles à combustible représente un véritable défi. Les conditions de fonctionnement fluctuantes entraînent une usure et des pertes de performances. Le Fraunhofer IFAM vient de réaliser une avancée décisive grâce à la spectroscopie d'impédance dynamique : Cette méthode de diagnostic permet une analyse précise en cours de fonctionnement, détecte les surcharges en temps réel et identifie les points faibles à un stade précoce. Cela permet d’optimiser de manière ciblée la résilience et l’efficacité, de prolonger la durée de vie des systèmes et de réduire les coûts d’exploitation – un bond technologique au potentiel énorme pour l’économie de l’hydrogène.
Le vieillissement des matériaux et la dégradation des performances posent des défis techniques pour les électrolyseurs et les piles à combustible. Les variations de charge d’exploitation, telles que celles causées par les fluctuations de l’alimentation en énergie renouvelable, peuvent entraîner une réduction significative de la durée de vie et des coûts de maintenance élevés. Pour apporter une réponse durable à ce problème, les chercheurs de l’Institut Fraunhofer IFAM ont réalisé des avancées décisives dans le domaine du système de diagnostic en temps réel par spectroscopie d’impédance dynamique.
Analyse en temps réel : des mesures en laboratoire aux applications industrielles assistées par l’IA
Les méthodes de mesure de pointe, telles que la spectroscopie d’impédance classique, nécessitent une interruption du fonctionnement et un temps d’arrêt correspondant pour atteindre un état stationnaire. Ces mesures prennent beaucoup de temps et ne reflètent guère les conditions de fonctionnement réelles, qui sont fluctuantes. « Grâce à notre nouvelle méthode de mesure dynamique, nous obtenons pour la première fois des données pertinentes directement à partir du processus en cours de fonctionnement, en utilisant des niveaux de courant nettement plus élevés que dans le montage de laboratoire précédent », explique le Dr Hermann Pleteit, chef de projet au Fraunhofer IFAM.
La spectroscopie d’impédance dynamique est une nouvelle méthode qui permet d’examiner l’état interne d’un électrolyseur ou d’une pile à combustible dans des conditions non stationnaires pendant son fonctionnement. Pour ce faire, un petit signal multifréquence est superposé au courant de fonctionnement normal. Simultanément, on mesure la réaction du système à ce signal, c’est-à-dire l’évolution du courant et de la tension. Le rapport entre ces grandeurs permet de calculer ce que l’on appelle l’impédance complexe, qui peut être considérée comme la « résistance électrique » du système en fonction de la fréquence. « C’est précisément cette nature dépendante de la fréquence qui rend l’impédance si précieuse pour les applications mentionnées et si intéressante à nos yeux. Contrairement à la simple valeur de résistance, elle offre une image complète des processus se déroulant à l’intérieur d’un système électrochimique. En effet, les différents processus physiques et chimiques – tels que les réactions au niveau des électrodes, le transport d’ions à travers la membrane, les résistances de contact électrique ou la reconstitution des substances impliquées – ont chacun un effet à des fréquences différentes. « Cela nous permet de distinguer ces processus les uns des autres, de les évaluer individuellement et, grâce à la résolution détaillée en temps réel, d’observer l’état des composants individuels, tels que la membrane ou les électrodes », explique M. Pleteit.
L’évolution temporelle de ces spectres permet de tirer des conclusions précises sur l’état et le vieillissement du système. Si, par exemple, la résistance d’un composant donné augmente, cela peut indiquer une détérioration des réactions aux électrodes, de la corrosion ou une dégradation des contacts électriques. Les changements dans le comportement de phase, en revanche, peuvent indiquer une usure de la membrane, des problèmes d’équilibre hydrique ou un transfert de masse restreint. Cela permet d’identifier les causes réelles des pertes de performance – qu’elles soient liées aux matériaux, aux interfaces, aux contacts ou aux conditions de fonctionnement.
Un système de diagnostic en temps réel utilise ces informations pour surveiller en continu l’état de la cellule. Cela permet de détecter les changements naissants bien avant qu’ils n’entraînent des pertes de performances perceptibles, voire une défaillance. « Au lieu de réagir uniquement après l’arrêt du système, nous pouvons prédire avec précision les besoins de maintenance et éviter des temps d’arrêt coûteux », a poursuivi M. Pleteit. La spectroscopie d’impédance dynamique permet ainsi une évaluation précise de l’état, un diagnostic ciblé des défauts et une maintenance prédictive des électrolyseurs et des piles à combustible.
Ces avancées reposent sur l’extension de la spectroscopie d’impédance dynamique de l’échelle du laboratoire aux dimensions des applications réelles, de sorte que des courants de fonctionnement pouvant atteindre 30 ampères peuvent désormais être superposés au signal de mesure. Cela représente une étape décisive vers une application industrielle. Grâce au traitement intégré des données en ligne, l’évolution temporelle de l’impédance est calculée et affichée en temps réel. «Cela nous permet, pour la première fois, de mesurer nos paramètres mathématiques pour des systèmes plus grands au cours de processus en cours. Associés à des modèles basés sur l’IA, les résultats peuvent être appliqués à des conditions environnementales changeantes – telles que les fluctuations de pression et de température – ainsi qu’à de nouvelles compositions de matériaux», résume M. Pleteit.
Intégration dans les systèmes de contrôle des installations et avantages pratiques
L’avantage pratique du système étendu réside dans sa mise en œuvre directe dans les systèmes de contrôle des installations, tels que le système de gestion de l’énergie. Les opérateurs de systèmes à hydrogène – tels que les piles à combustible PEM et les électrolyseurs alcalins – reçoivent ainsi des données d’état continues et précises qui reflètent l’état de santé actuel de l’installation. Sur cette base, des processus critiques tels que la dégradation des catalyseurs peuvent être détectés à un stade précoce, des intervalles de maintenance prédictive peuvent être planifiés et les stratégies d’exploitation peuvent être ajustées de manière dynamique afin de minimiser les processus de dégradation. « Cela nous permet de réduire considérablement les coûts sur toute la durée de vie et d’assurer la viabilité économique des projets d’hydrogène vert – un élément clé pour la compétitivité de l’économie de l’hydrogène », explique M. Pleteit.
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