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Projet FIDELHYO pour fiabiliser l'électrolyse de l'eau à haute température

Projet FIDELHYO

Fiabiliser l’électrolyse de l’eau à haute température pour la production d’hydrogène et obtenir un compromis performance-durabilité-coût à l’échelle d’un prototype d’électrolyseur innovant.

Enjeux

Alors que l’hydrogène apparaît très prometteur dans la chaîne de conversion et de stockage des énergies renouvelables intermittentes, sa production reste aujourd’hui principalement réalisée par conversion de ressources fossiles : charbon, gaz naturel ou pétrole.
Les procédés d’électrolyse de l’eau permettent de produire de l’hydrogène en cassant des molécules d’eau sous champ électrique. Le coût de la molécule d’hydrogène est donc directement lié à la quantité d’énergie consommée. L’électrolyse à haute température permet cependant de substituer une partie de cette électricité par de la chaleur et ainsi de réduire la facture électrique. Un procédé qui se heurte toutefois à une dégradation des systèmes accélérée par la température de fonctionnement

A travers Fidelhyo, les chercheurs ont souhaité d’abord comprendre les mécanismes de dégradation intervenant au niveau d’un empilement de cellules (stack) dans un électrolyseur fonctionnant avec de la vapeur d’eau à haute température.
Ils se sont attelés ensuite à identifier les solutions pour atteindre un compromis économiquement pertinent entre la performance, la durabilité et le coût de ce stack, tant d’un point de vue des stratégies de fonctionnement que des choix matériaux.

Fidelhyo s’inscrit dans la perspective globale de l’hydrogène en tant que pierre angulaire du stockage de l’électricité issue des énergies renouvelables, en particulier à l’échelle d’un territoire.

Le projet veut aussi proposer une valorisation de la chaleur fatale (dégagée sur les sites industriels ou issue des centrales nucléaires par exemple).

En permettant d’augmenter la durabilité et la robustesse des composants d'électrolyseurs de la vapeur d'eau à haute température, Fidelhyo a contribué à l’émergence d’une nouvelle filière industrielle de production d’hydrogène à haute efficacité et faible empreinte carbone.

  • Deux outils d’étude et d’analyse ont été développés au cours du projet, à savoir :
    des petits stacks de trois cellules, utilisés pour étudier et contrôler la dégradation en fonctionnement,
  • un outil destiné à évaluer l’état des composants du stack, pendant leur fonctionnement, basé sur la spectrométrie d’impédance électrochimique.

Des essais ont été menés à l’échelle de la cellule et des petits stacks qui ont permis l’analyse et l’optimisation des flux de gaz, du fonctionnement électrochimique des cellules et de l’étanchéité du montage.

Un gain de coût de production de l’hydrogène très significatif a pu être anticipé grâce au design proposé et aux performances atteintes, positionnées au meilleur niveau international : un courant de 2 ampères par centimètre carré atteint à 800°C, avec un taux de conversion de plus de 50 % de la vapeur, et même de 1 A/cm2 à 700 °C, permettant de conserver des performances suffisantes en préservant au mieux les matériaux du vieillissement.

Le design du stack Fidelhyo représente une véritable innovation de rupture. Il constitue la brique élémentaire nécessaire à la réalisation d’un système de plusieurs stacks de quelques dizaines de cellules pour une production d’hydrogène massive décarbonnée à haut rendement.

Croissance

Le projet Fidelhyo associé à plusieurs autres projets, ANR et européens principalement, conduits sur une dizaine d’années, a permis l’émergence d’une véritable expertise sur la technologie d’électrolyse a haute température. Le CEA-LITEN a franchi une étape importante en réalisant, sur la base des travaux initiés dans Fidelhyo, un système électrolyseur à température de 700 °C produisant de l’hydrogène à partir de vapeur d’eau à 150°C et d’électricité avec une consommation électrique de 3,9 kWh/Nm3 d’hydrogène. Le prototype a ainsi démontré qu’il était possible de produire de l’hydrogène en partant de rejets de chaleur courants (~150°C) permettant de vaporiser l’eau à la pression considérée, avec des rendements inégalés grâce à une valorisation maximale de la chaleur dans le système.

Essaimée du CEA-Liten, une start-up a été créée sur cette technologie. Sylfen, c’est le nom de cette jeune pousse, se propose de commercialiser cette technologie en la faisant fonctionner en mode réversible : électrolyseur pour produire de l’hydrogène et pile à combustible pour produire de l’électricité. La stratégie commerciale de Sylfen prévoit l’installation de ce système dans les bâtiments pour les rendre autonomes puis un déploiement à l’échelle du quartier à moyen terme.

Perspectives

  • Le projet Fidelhyo a construit les bases d’une vraie compétence française sur l’électrolyse haute température dans les domaines suivants :
    physique et chimie du solide des matériaux de cellule,
  • électrochimie des solides pour l’analyse et la compréhension des performances et de la durabilité des cellules et des empilements,
  • conception d’architectures stack répondant au cahier des charges (performances, robustesse, coût),
  • pilotage des essais d’électrolyse globaux.

Au final, le projet Fidelhyo a amorcé la mise en place d’une filière française de l’électrolyse allant des laboratoires académiques jusqu’à l’industrie.

Chiffres clés

  • 4 brevets
  • 14 publications scientifiques
  • 1 CDI créé au CEA pour les empilements
  • 3 emplois durant le projet : 2 en thèse, 1 post-doc
  • 1 startup créée : Sylfen

Acteurs
2 laboratoires de recherches appliquées : CEA-Liten, EDF-Eifer (European Institute For Energy Research), 2 laboratoires de recherche amont du CNRS : ICMCB (chimie bordeaux), LECIME (chimie paris) et 1 industriel : APERAM

Financement
ANR HPAC

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