Technologie de production d'hydrogène à haut rendement - Cellule électrolytique à oxyde solide haute température

La cellule d'électrolyse à oxyde solide haute température (SOEC) est un dispositif de conversion d'énergie très efficace, rapide et flexible. Grâce à l'introduction de différentes matières premières, elle peut produire divers produits, permettant ainsi le développement de synthétiseurs électrochimiques multifonctionnels. Elle peut être connectée à des sources d'énergie propre, telles que l'énergie éolienne et photovoltaïque. Son application la plus courante est l'électrolyse de la vapeur d'eau pour produire de l'hydrogène. Comparée aux technologies d'électrolyse de l'eau classiques comme l'électrolyse alcaline (ALK) et l'électrolyse de l'eau à haute température (SOEC), la SOEC présente des performances supérieures. Membrane échangeuse de protons Comparativement à l'électrolyse PEM, la cellule d'électrolyse à oxyde solide (SOEC) offre plusieurs avantages : un rendement supérieur (jusqu'à 85 %), la réversibilité du procédé et la possibilité de valoriser la chaleur résiduelle de haute qualité issue des produits de la réaction. La SOEC convertit l'énergie électrique et thermique en énergie chimique. Son principe de fonctionnement est inverse à celui d'une pile à combustible à oxyde solide (SOFC). Comme illustré sur la figure 1, la SOEC est constituée d'une couche d'électrolyte dense au centre, d'électrodes poreuses de part et d'autre et de canaux de gaz externes aux électrodes pour l'alimentation en gaz réactifs et l'évacuation des gaz produits, assurant ainsi un transport et une distribution efficaces des gaz. Lorsqu'une tension continue est appliquée aux électrodes à haute température (600–900 °C), les molécules de vapeur d'eau (H₂O) sont dissociées à la cathode en protons (H⁺) et en ions oxygène (O²⁻). Les ions O²⁻ migrent à travers la couche d'électrolyte d'oxyde solide jusqu'à l'anode, où ils libèrent des électrons (e⁻) et forment des molécules d'oxygène (O₂).

Les électrons sont acheminés via l'interconnexion jusqu'à la cathode, où ils se combinent aux ions H⁺ pour former des molécules de dihydrogène (H₂). La production d'hydrogène par SOEC (électrolyse à oxyde solide) est un procédé qui exploite la conductivité ionique des membranes électrolytiques à oxyde solide pour dissocier l'eau en hydrogène et en oxygène à haute température. Les produits obtenus trouvent de nombreuses applications dans des secteurs tels que la sidérurgie, la chimie et l'aérospatiale. La SOEC peut également être intégrée thermiquement à divers procédés de synthèse chimique, permettant ainsi le recyclage du dioxyde de carbone et de l'eau capturés en gaz naturel de synthèse, essence, méthanol ou ammoniac. Comparée à d'autres technologies d'électrolyse de l'eau, la SOEC offre de nombreux avantages : rendement élevé, faible coût, capacité de co-électrolyse, réversibilité et adaptabilité à diverses applications. Fonctionnant à haute température (600–900 °C), la SOEC bénéficie d'une cinétique favorable, garantissant un rendement d'électrolyse élevé. Cette température de fonctionnement élevée réduit la consommation d'énergie électrique, le rendement global du système pour la production d'hydrogène atteignant environ 85 %. Cela représente environ 1,5 fois l'efficacité du système d'électrolyse PEM et deux fois l'efficacité totale de électrolyse alcaline de l'eauEn termes d'applications, les conditions de fonctionnement à haute température des SOEC les rendent particulièrement adaptées aux applications générant d'importantes quantités de chaleur résiduelle, comme les usines chimiques à base de charbon, la sidérurgie, la synthèse de l'ammoniac et les centrales nucléaires. L'intégration de cette chaleur résiduelle dans le fonctionnement des SOEC permet de compléter la consommation d'énergie électrique, d'améliorer le rendement électrique et de réduire les coûts d'exploitation. De plus, une caractéristique distinctive des SOEC par rapport à d'autres technologies est leur réversibilité : elles peuvent basculer aisément entre le mode électrolyse (SOEC) et le mode pile à combustible (SOFC).

La pile à combustible à oxyde solide (SOEC) peut produire de l'hydrogène ou du gaz de synthèse pour le stockage d'énergie par électrolyse, ou convertir l'énergie chimique en électricité grâce à une pile à combustible, créant ainsi un système synergique pour la production, le stockage et la production d'électricité à partir d'hydrogène (« électricité-hydrogène-électricité »). Elle offre ainsi un potentiel important pour le stockage des énergies renouvelables et l'écrêtement des pointes de consommation sur le réseau, contribuant à une utilisation efficace et à un meilleur équilibre énergétique. Avec les progrès technologiques constants et la maturation progressive du marché, la production d'hydrogène par SOEC devrait jouer un rôle essentiel dans le paysage énergétique futur, contribuant à la réalisation des objectifs mondiaux de neutralité carbone.