Production d'eau ultra pure pour l'alimentation des électrolyseurs pour l'hydrogène vert

Eau ultra pure (UPW) pour l'hydrogène vert

Un kilogramme d'hydrogène contient 33 kWh d'énergie utilisable, soit environ trois fois l'énergie contenue dans un kilogramme d'essence ou de diesel. Il est donc utilisé dans de nombreuses applications, de la production d'électricité et du stockage d'énergie aux piles à combustible pour les transports. Il fait également partie de processus industriels critiques tels que le procédé Haber-Bosch pour la production d'ammoniac.

Applications de l'hydrogène

Figure 1 - La large gamme d'applications de l'hydrogène

L'hydrogène peut être synthétisé par un large éventail de procédés utilisant soit un hydrocarbure, soit de l'eau, soit les deux comme base pour sa production. Dans le cas de l'hydrogène vert, l'électrolyse de l'eau, alimentée par une énergie renouvelable, est utilisée pour produire ce gaz essentiel selon l'équation suivante :

L'hydrogène est produit à partir d'eau ultra pure avec un rapport de 9:1, c'est-à-dire que neuf kilogrammes d'eau ultra pure sont nécessaires pour produire un kilogramme d'hydrogène. En tenant compte de la chaîne de traitement de l'eau, le rapport entre la consommation d'eau d'alimentation et la production d'hydrogène peut varier entre 15:1 et 30:1 environ selon la source d'alimentation.

Figure 2 - Eau nécessaire pour produire un kilogramme d'hydrogène en fonction de la source d'alimentation

Pour garantir une efficacité maximale et protéger les électrolyseurs hautement sensibles, la qualité de l'eau d'alimentation doit répondre aux normes de qualité les plus élevées. Pour répondre à ces exigences, un système de déminéralisation complet comprenant notamment l'osmose inverse à double passage et l'électrodéionisation est généralement justifié.

L'eau étant recyclée en continu dans l'unité d'électrolyse, les impuretés passant par le système de déminéralisation ou la contamination provenant de l'équipement de l'unité d'électrolyse peuvent rapidement s'accumuler jusqu'à atteindre des niveaux importants. Pour éviter l'accumulation de contaminants à l'intérieur de la boucle de l'électrolyseur, un polisseur au point d'utilisation peut être utilisé pour traiter une fraction ou la totalité de l'eau recirculée.

Figure 3 - Répartition des prix des dépenses d'investissement et d'exploitation pour les usines d'hydrogène vert

Alors que le système de traitement de l'eau représente généralement 1 à 5 % des dépenses d'investissement totales de l'usine, les piles d'électrolyseur représentent 50 à 60 % du total. Il est d'autant plus important de disposer d'un système bien conçu en amont et pour la boucle d'électrolyse afin de protéger les piles et d'augmenter leur durée de vie.

De plus, les coûts d'électricité représentent généralement 60 à 80 % de toutes les dépenses opérationnelles et sont l'un des principaux facteurs de coût sur l'existence d'une usine. Une unité de traitement appropriée est à nouveau primordiale pour garantir qu'aucune impureté ne s'accumule à la surface de l'électrolyseur, ce qui entraînerait une consommation d'électricité plus élevée.

Production d'eau ultra pure  ~ 2-5 kWh/m³     Électrolyse UPW  ~ 5000 kWh/m³

Figure 4 - Électricité approximative requise par m³ pour la production d'eau ultra pure et l'électrolyse d'eau ultra pure

Bien que marginal en termes de CAPEX et d'OPEX à l'échelle de l'usine, un système de traitement de l'eau inefficace ou mal optimal peut cependant entraîner de lourdes conséquences :

• Endommagement de la pile d'électrolyseur
• Augmentation des temps d'arrêt en raison d'arrêts de maintenance plus fréquents
• Augmentation du coût de possession en raison d'une consommation d'électricité et d'eau plus élevée