Hydrogène vert issu de l'eau de mer
Électrolyse à l'eau de mer non traitée : le Fraunhofer teste des matériaux et des membranes
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L'eau de mer et l'eau saumâtre pourraient constituer des sources d'eau alternatives pour la production d'hydrogène. Le défi réside dans le fait que les électrolyseurs conventionnels nécessitent une eau de haute pureté, ce qui implique un traitement approfondi. Dans le cadre du projet SeaEly, l’Institut Fraunhofer pour les systèmes éoliens (IWES) et l’Institut Fraunhofer pour les technologies de fabrication et les matériaux avancés (IFAM) ont étudié dans quelle mesure l’eau de mer et l’eau saumâtre se prêtaient à la production d’hydrogène, ainsi que les infrastructures d’essai et d’évaluation nécessaires.
L’utilisation directe de l’eau de mer ou de l’eau saumâtre est particulièrement prometteuse pour les applications côtières et offshore. La conversion directe de l’électricité produite par les éoliennes en hydrogène permet d’obtenir un vecteur énergétique stockable et transportable qui peut ensuite être utilisé comme matière première chimique, pour l’approvisionnement énergétique ou pour la production d’ammoniac et de carburants synthétiques. Coordonné par le Fraunhofer IWES, le projet de recherche commun SeaEly a étudié l’électrolyse directe de l’eau de mer et de l’eau saumâtre pour produire de l’hydrogène et de l’oxygène d’octobre 2022 à mars 2026, dans le cadre du concours d’idées « Hydrogen Republic of Germany ». Outre le Fraunhofer IWES et le Fraunhofer IFAM, parmi les participants figuraient l’Université technique de Berlin, la société Whitecell Eisenhuth GmbH & Co. KG et l’Institut d’économie maritime et de logistique. Le projet a été financé par le ministère fédéral allemand de la Recherche, de la Technologie et de l’Espace (BMFTR).
Moins de traitement, des coûts réduits ?
« L’idée était de déterminer le degré de pureté que doit présenter l’eau de mer pour pouvoir être utilisée directement dans l’électrolyse sans surcharger les équipements », explique Nadine Menzel, responsable du groupe d’électrochimie et d’analyse au laboratoire Hydrogen Lab Leuna de l’institut Fraunhofer IWES. SeaEly a été conçu pour déterminer dans quelle mesure l’eau de mer pouvait remplacer l’eau potable et l’eau de process dans l’électrolyse. « Au Fraunhofer IFAM, nous avons développé de nouvelles membranes pour l’électrolyse de l’eau de mer non traitée et les avons testées sur un banc d’essai électrochimique modulaire », explique Andreas Brinkmann, chercheur au sein du département de recherche sur l’adhérence et les interfaces du Fraunhofer IFAM.
Ce banc d’essai permet d’exposer les matériaux à diverses conditions de fonctionnement, puis de les analyser en détail. Il est ainsi possible d’identifier les dépôts, les modifications de surface, la corrosion et les processus de vieillissement. La combinaison du développement des matériaux et des essais fournit donc une base solide pour évaluer systématiquement la résistance des composants à différents types de contraintes.
Que se passe-t-il lors de l’électrolyse ?
Lors de l’électrolyse de l’eau, un courant électrique décompose l’eau en hydrogène et en oxygène. La membrane joue un rôle clé dans ce processus : elle sépare les deux chambres de réaction tout en permettant le transport d’ions nécessaire à la réaction électrochimique. En termes simples, elle agit comme un tamis extrêmement fin, laissant passer certains ions tout en maintenant les gaz produits aussi séparés que possible.
Cela devient particulièrement délicat lorsque l’on utilise de l’eau de mer. Les chlorures et autres constituants peuvent déclencher des réactions secondaires, s’accumuler sur les surfaces ou provoquer de la corrosion et un vieillissement. Brinkmann : « Plus notre électrolyte contient d’impuretés, plus la question devient pressante : quelle sera la durée de vie de chacun de nos composants ? »
Le Fraunhofer IFAM peut étudier cette question à l’aide de divers électrolytes et configurations de cellules. Outre les mesures électrochimiques, la microscopie électronique à balayage, l’EDX, le XPS et le TOF-SIMS fournissent des analyses détaillées des matériaux après les essais. « Cela nous permet d’évaluer le taux d’usure », explique M. Brinkmann.
« Parallèlement, le Fraunhofer IWES a mis au point un banc d’essai polyvalent de plus grande taille », explique Menzel. « Il permet d’étudier et de comparer différentes technologies d’électrolyse et des composants nouvellement développés en utilisant de l’eau saumâtre ou de l’eau de mer, notamment l’électrolyse PEM, alcaline et AEM. » Les matériaux prometteurs peuvent ensuite passer de petites cellules d’essai à des installations plus grandes. Cela permet d’évaluer à la fois le comportement des matériaux et les interactions entre plusieurs cellules et d’autres composants du système.
Perspectives : de la faisabilité à la stabilité à long terme
Le projet a permis de développer des bancs d’essai et des composants destinés à l’étude de l’électrolyse à l’eau de mer et à l’eau saumâtre, et a mené des études de faisabilité préliminaires. L’infrastructure ainsi mise en place permet désormais de réaliser des essais systématiques à long terme axés sur le vieillissement, la corrosion, les dépôts et les effets de la composition de l’électrolyte sur la durée de vie des composants. Le Fraunhofer IFAM et le Fraunhofer IWES utilisent déjà les bancs d’essai au-delà du cadre du projet, par exemple pour étudier des sources d’eau alternatives et évaluer l’adéquation des composants d’électrolyse. Les bancs d’essai sont également disponibles pour des projets industriels et des applications externes.
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