Impact de la qualité de l'eau sur la consommation d'énergie dans la production d'hydrogène électrolytique PEM

L'électrolyse par membrane échangeuse de protons (PEM) est devenue une méthode courante grâce à son rendement élevé, sa forte densité de courant, sa grande adaptabilité en température et sa grande réactivité. Bien que la plupart des recherches se concentrent sur la démonstration des électrolyseurs PEM, le développement de nouveaux catalyseurs ou l'amélioration des membranes échangeuses de protons, l'optimisation du système et de l'eau d'alimentation reste un défi majeur. Par conséquent, cette étude met l'accent sur l'impact des paramètres de qualité de l'eau, notamment le pH, les solides dissous totaux (SDT) et la conductivité, sur la consommation énergétique des électrolyseurs PEM afin d'optimiser la production d'hydrogène. Ces paramètres sont souvent interdépendants et influencent les performances de l'électrolyse.

Le principe de fonctionnement d'un électrolyseur PEM implique la décomposition électrochimique de l'eau en hydrogène et oxygène aux électrodes. L'eau étant le principal milieu réactionnel, sa qualité affecte directement l'efficacité de l'électrolyse et la consommation d'énergie. Les principaux facteurs de qualité de l'eau sont le pH, les TDS et la conductivité. Par exemple, le pH peut modifier le potentiel de réaction de réduction de l'oxygène, affectant ainsi la consommation d'énergie, mais des pH extrêmes peuvent entraîner la dégradation de la membrane. Une faible conductivité peut contribuer à réduire la consommation d'énergie, mais une conductivité trop élevée peut endommager la membrane. Les TDS sont liés à la conductivité de l'eau et peuvent entraîner des problèmes d'entartrage. L'American Society for Testing and Materials (ASTM) recommande l'utilisation d'eau déionisée de type I (carbone organique total). <50 ppb, résistivité > 1 MΩ·cm, sodium et chlore <5 µg/L). Cependant, les sources d'eau actuelles contiennent souvent des impuretés, ce qui augmente les coûts de purification. Des études montrent qu'aucune production d'hydrogène n'est observée lorsque le TDS est nul, tandis que des niveaux élevés de TDS (0 à 2 000 ppm) contribuent à augmenter la production.

​​1. Impact du pH sur la production de gaz et la consommation d'énergie​​

L'efficacité de l'électrolyse de l'eau par PEM pour la production d'hydrogène (y compris la production de gaz et la consommation d'énergie) est étroitement liée au pH de l'électrolyte. L'exigence fondamentale est que le pH reste dans la plage optimale conçue pour le système d'électrolyse. Un écart par rapport à cette plage (trop acide ou trop alcalin) réduira considérablement les performances du système. Des environnements trop acides ou trop alcalins peuvent altérer les catalyseurs, réduire leur activité chimique, voire endommager leur structure, ralentissant ainsi les réactions de dégagement d'hydrogène (HER) et de dégagement d'oxygène (OER). De plus, des conditions de pH extrêmes peuvent affecter l'état d'hydratation et la stabilité chimique de la membrane échangeuse de protons (PEM), entravant le transport efficace de l'hydrogène et provoquant des interruptions d'approvisionnement en réactifs. Un environnement trop acide peut corroder les électrodes et entraîner des dépôts recouvrant les sites actifs, tandis qu'un environnement trop alcalin peut provoquer la précipitation d'impuretés, augmentant non seulement la consommation d'énergie gaspillée, mais aussi inhibant davantage la production de gaz, entraînant ainsi une réduction de la production de gaz.

​​2. Impact des solides dissous totaux (SDT) sur la production de gaz et la consommation d'énergie​​

Le TDS désigne la concentration totale de substances inorganiques et organiques dissoutes dans l'eau et constitue un indicateur clé pour évaluer la qualité de l'eau. La production de gaz augmente avec la concentration de TDS, car un TDS élevé peut agir comme catalyseur favorisant la formation d'hydrogène. À l'inverse, de faibles niveaux de TDS limitent la production de gaz, et aucun hydrogène n'est produit lorsque le TDS est nul.

Les TDS ont un impact significatif sur la consommation énergétique. Un TDS élevé augmente la conductivité de l'eau, mais augmente la tension de l'électrolyseur, ce qui entraîne une consommation énergétique accrue. Parallèlement, les TDS peuvent provoquer l'entartrage des électrodes ou des membranes, réduisant ainsi l'efficacité. Pour atténuer ces effets, des technologies de traitement de l'eau (telles que l'osmose inverse ou la déionisation) sont recommandées afin de réduire les TDS et d'optimiser la consommation énergétique.

​​3. Impact de la conductivité sur la production de gaz​​

La conductivité est un autre paramètre important reflétant la concentration ionique dans l'eau. Une conductivité élevée peut réduire la surtension de la réaction de réduction de l'oxygène à l'anode (REO), diminuant ainsi la demande énergétique. Cependant, une conductivité excessive augmente le risque de détérioration de la membrane et la consommation d'énergie du pompage.

4. Impact des différentes qualités d'eau sur la consommation d'énergie

Une comparaison des effets de l'eau de mer, de l'eau de puits et de l'eau déionisée sur les électrolyseurs PEM :

• ​​Eau de mer : les sels et minéraux dissous en grande quantité augmentent la conductivité mais augmentent également la résistance, nécessitant une tension plus élevée et entraînant une consommation d’énergie accrue.

• ​​Eau de puits : moins de substances dissoutes entraînent généralement une consommation d’énergie inférieure à celle de l’eau de mer, mais l’incertitude dans la composition minérale pose des défis.

• Eau déionisée : une faible conductivité réduit la résistance et améliore l’efficacité énergétique, mais le manque d’ions nécessaires nécessite une utilisation prudente en fonction de la conception du système.

​​5. Importance de la gestion de la qualité de l'eau​​

L'électrolyse de l'eau PEM se concentre souvent sur l'électrolyseur lui-même, mais les systèmes auxiliaires (BOP), notamment la gestion de l'eau d'alimentation, sont tout aussi essentiels. L'optimisation des paramètres de qualité de l'eau (pH, TDS, conductivité) améliore non seulement l'efficacité et la production de gaz, mais prolonge également la durée de vie des équipements. Bien que le BOP des systèmes PEM soit plus simple que celui des systèmes alcalins, le contrôle de la qualité de l'eau pure reste un facteur clé pour un fonctionnement efficace et stable.