Passer d’une source de combustible à une autre pour un approvisionnement constant en énergie verte
Un système qui passe d’une source de carburant à une autre peut garantir un approvisionnement stable en électricité à base d’hydrogène à faible teneur en carbone, par exemple pour les stations de ravitaillement des transports. «Nous avons fait appel aux technologies des [cellules] à oxyde solide pour développer le système de production d’hydrogène par polycarburant. Cela signifie que le même système peut être alimenté par de l’énergie électrique, de l’énergie renouvelable et des processus d’électrolyse de l’eau, en passant de l’un à l’autre selon les besoins», explique Matteo Testi, coordinateur du projet. Celui-ci dirige l’unité Technologies de l’hydrogène et systèmes énergétiques résilients (HyRES) à la Fondation Bruno Kessler en Italie. La chaleur de haute qualité de la pile à combustible sert à produire de l’hydrogène. «Le prototype peut diviser l’eau en oxygène et hydrogène d’une grande pureté. Mais en l’absence d’énergie renouvelable, il peut passer à l’électrolyse pour convertir du biométhane et produire de l’hydrogène sous forme d’énergie électrique», ajoute-t-il. Le système SWITCH repose sur un projet antérieur financé par l’UE. Baptisé CH2P, il a développé un prototype permettant de produire de l’hydrogène à partir de biométhane en utilisant une pile à combustibles à oxyde solide (SOFC). Matteo Testi et son équipe souhaitaient étendre la fonctionnalité à l’électrolyse et à l’utilisation de différents types d’énergie. «Cela peut paraître évident, mais produire de l’hydrogène par ces deux méthodes d’entrée implique deux processus totalement différents. D’un point de vue technique, cela exige des composants et une conception de système différents pour réduire les pertes d’énergie dues à la commutation», explique-t-il. Pendant la phase de conception, le défi a consisté à trouver un nombre minimum de composants susceptibles de fonctionner avec les deux processus.
Détecter l’apport d’énergie et ajuster les processus
Un système de contrôle unique, développé par les partenaires du projet, détecte le type d’énergie utilisée et ajuste les processus de manière homogène. Il s’agit notamment de faire appel à l’électrolyse pour produire de l’hydrogène à partir d’électricité renouvelable ou au vapocraquage pour le biométhane. «Il existe des normes, des codes de conduite et des réglementations qu’il faut respecter, c’est pourquoi il a fallu beaucoup de temps pour produire un contrôle robuste et normalisée pour la pile de cellules multiples, tout en intégrant des fonctions de sécurité», ajoute-t-il. «Assurer un développement et une validation corrects de systèmes de sécurité et de contrôle robustes était essentiel pour un système de production d’hydrogène de haute puissance.» Le système de contrôle a fait l’objet d’un long prototypage, intégrant des systèmes de sécurité et des protocoles destinés à gérer les conditions de fonctionnement et les risques associés à chaque processus.
Tester la sécurité et la robustesse
L’optimisation de l’efficacité et des performances, en particulier lors du passage d’un mode d’apport d’énergie à un autre, a nécessité de nombreux essais et perfectionnements pour aboutir à un prototype pouvant faire l’objet d’une démonstration dans un environnement opérationnel. «Nous avons dû faire face à de nombreux problèmes car la méthodologie consistait à valider chaque composant individuellement, la cellule, le changeur de données, l’unité de production de vapeur, le réacteur. Nous les avons intégrés sur la base d’une simulation, ce qui nous a permis d’économiser du temps et de l’argent. Il a été assemblé dans deux conteneurs sur le site de démonstration géré par HyGear aux Pays-Bas», précise-t-il, faisant référence au partenaire du consortium de la technologie de l’hydrogène. En dépit des interruptions causées par la pandémie de COVID-19 durant la période de démonstration, le prototype a été testé pendant 1 000 heures en mode électrolyseur à oxyde solide (électrolyse), afin de vérifier la dégradation de la pile de cellules. «Nous n’avons constaté aucune trace de dégradation. Ceci est important parce que le système est complexe et que les impuretés peuvent provenir de différents points», précise Matteo Testi.
Un système modulaire adapté à des applications énergétiques
Le prototype a été conçu en tant que système modulaire. La production d’hydrogène peut être augmentée ou réduite pat l’ajout ou la suppression de composants modulaires tels que les piles à combustible et les sous-systèmes associés. «Cela permet d’adapter le système aux besoins spécifiques et aux sources d’énergie disponibles sur un site ou une application donnés», explique Matteo Testi.
Mots‑clés
SWITCH, énergie, énergie renouvelable, hydrogène, méthane, biométhane, pile à combustibles à oxyde solide, SOFC, CH2P, électrolyse, HyGear
