Modéliser l’écoulement diphasique dans un électrolyseur PEM

Pour réduire notre dépendance à l’égard des énergies fossiles, le monde doit s’orienter vers des sources d’énergie renouvelables, telles que l’énergie éolienne et l’énergie solaire. Nous devons également acheminer cette énergie là où elle est le plus nécessaire. Une méthode prometteuse de stockage et de transport d’énergie fait appel à l’élément le plus abondant de l’univers : l’hydrogène. Un électrolyseur à membrane électrolytique polymère (PEM) utilise l’électricité pour extraire l’hydrogène de l’eau. Le logiciel COMSOL Multiphysics^® vous permet de simuler le fonctionnement d’un électrolyseur PEM. Améliorer l’efficacité de ce dispositif pourrait contribuer à faire du stockage d’hydrogène une alternative viable aux batteries électriques et aux combustibles fossiles liquides.

Les défis de la production d’énergie éolienne et solaire

La production d’énergie renouvelable participe à la transition mondiale vers une économie moins dépendante du carbone, mais les sources d’énergie telles que l’éolien et le solaire posent leurs propres problèmes. Il peut être difficile d’équilibrer la production d’énergie éolienne et solaire avec la demande des consommateurs. De plus, les emplacements optimaux pour les éoliennes et les panneaux solaires se trouvent souvent dans des zones reculées où la capacité en réseau électrique est limitée. Dans ces conditions, l’amélioration du stockage et du transport de l’énergie est un élément essentiel pour augmenter la production d’énergies renouvelables.

Les batteries électriques sont un moyen bien connu pour stocker l’énergie, mais l’extraction des métaux utilisés dans les batteries peut avoir un impact environnemental. L’élimination des batteries usagées peut également être problématique. Tandis que la recherche se concentre sur l’ amélioration de la conception des batteries, l’ampleur de la demande future en matière de stockage d’énergie est telle qu’il sera nécessaire de faire appel à d’autres solutions.

Le potentiel du stockage de l’énergie à base d’hydrogène

Un système de stockage d’énergie basé sur l’électrolyse de l’hydrogène pourrait contribuer à surmonter les difficultés liées à la production décentralisée d’énergie éolienne et solaire. Les centrales électriques peuvent fournir de l’électricité aux électrolyseurs sur site, qui l’utilisent pour séparer l’hydrogène de l’eau (ce processus est expliqué en détail ci-dessous). L’hydrogène est ensuite capté, stocké et transporté dans des réservoirs ou par pipeline jusqu’aux lieux de distribution et d’utilisation. L’hydrogène par électrolyse est également requis pour des applications industrielles, telles que la production d’ “acier vert“.

Bien que cette approche se soit révélée prometteuse lors des tests, le secteur des services publics ne s’est pas encore engagé à grande échelle dans les procédés d’électrolyse de l’hydrogène. Le coût de production des électrolyseurs constitue un obstacle de taille.

Extraction d’hydrogène à partir d’eau à l’aide d’électrolyseurs PEM

Dans une cellule d’électrolyseur PEM, deux chambres d’électrodes sont séparées par une membrane polymère. De l’eau liquide circule du côté de l’anode. Par électrolyse, certaines molécules d’eau se scindent en oxygène gazeux et en hydrogène gazeux, qui traversent la membrane et s’accumulent du côté de la cathode.

Les mécanismes d’un électrolyseur. Image par Davidlfritz — Photoshop. Sous licence CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons.

Cette méthode d’électrolyse présente de nombreux avantages, comme présenté dans un article de 2015 Compendium of Hydrogen Energy. Par rapport à d’autres types d’électrolyseurs, les électrolyseurs PEM sont:

• Compacts
• Flexibles
• Faciles à manipuler
• Tolérants vis à vis des variations de charges électriques
• Capables de travailler dans des conditions de haute pression

Malgré leurs promesses, les électrolyseurs PEM n’ont pas encore été adoptés à grande échelle, principalement en raison de leur coût initial élevé. Leur action catalytique nécessite de l’iridium à l’anode du dispositif et du platine à la cathode. Bien que les quantités en jeu soient très faibles par rapport aux métaux utilisés dans les batteries, l’iridium et le platine font partie des métaux les plus rares sur Terre. Leur coût élevé signifie que l’électrolyse PEM n’est pas encore viable d’un point de vue économique. L’iridium, en particulier, est à la fois onéreux et susceptible de se dégrader en cours de fonctionnement. C’est pourquoi, améliorer la durabilité et le rendement de la couche d’iridium à l’anode est un aspect important de la recherche sur les électrolyseurs PEM.

Simuler un écoulement diphasique pour maximiser le rendement de conversion

Le module Fuel Cell & Electrolyzer inclut diverses fonctionnalités pour modéliser un électrolyseur PEM. Ce type de modèle permet de simuler l’écoulement diphasique à travers l’anode du dispositif, ce qui peut être utile pour aider à étudier son action électrolytique catalysée par l’iridium. Nous examinons ici le modèle et quelques résultats intéressants, mais si vous souhaitez vous plonger directement dans le tutoriel décrivant la construction du modèle, étape par étape, nous vous invitons à le télécharger en cliquant sur ce lien : Electrolyseur à membrane électrolytique polymère.

Géométrie du modèle d’électrolyseur PEM.

Les résultats de la simulation montrent qu’à l’extrémité des canaux d’écoulement des électrodes, dans la partie centrale du dispositif, la fraction volumique de gaz approche les 100 %. Dans le même temps, la conversion en gaz a été beaucoup moins importante dans le canal situé à l’extrême droite. Toute l’eau liquide qui sort du dispositif devrait avoir été oxydée, afin de libérer des protons pour la réduction à la cathode de l’électrolyseur. À l’inverse, l’iridium dans la grande “zone rouge” a très peu d’effet, car il n’y a presque plus d’eau liquide à oxyder dans ces canaux. Cela suggère la possibilité de revoir la géométrie de l’électrolyseur afin de parvenir à une meilleure utilisation du matériau catalytique.

Distribution d’eau liquide (en bleu) et oxygène gazeux formé (en rouge) durant le fonctionnement d’un électrolyseur PEM.

En mettant en évidence des améliorations potentielles à apporter à la conception d’électrolyseurs PEM, la simulation peut aider les concepteurs à rendre les électrolyseurs plus efficaces – et la distribution d’énergie à base d’hydrogène plus fiable.

Prochaines étapes

Essayez de simuler l’écoulement diphasique dans un électrolyseur à membrane électrolytique polymère en cliquant sur le bouton ci-dessous :