Développement de systèmes d’électrolyse de forte puissance : nécessité et approche

11/05/2015
Auteurs :
Publication REE REE 2015-2 Dossier L’hydrogène
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2015-2:13542
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Développement de systèmes d’électrolyse de forte puissance : nécessité et approche

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58 REE N°2/2015 L'HYDROGÈNEDOSSIER 1 Développement de systèmes d’électrolyse de forte puissance : nécessité et approche Par Marc De Volder Siemens SAS The extension of power generation from renewable sources, such as wind power and photovoltaic is a major lever to achieve the ambitious targets to reduce the emission of carbon dioxide. Those sources are extremely volatile. Therefore systems are needed to stabilize the grids and furthermore help to avoid excess generation and supply bottlenecks. Large-scale electrolysis systems convert water into hydrogen using for instance renewable energy. Thereby huge amounts of energy may become storable for long periods. Such PEM electrolysis systems must have a power of at least 50 megawatt and must technically also be able to operate highly efficiently in such an extreme dynamic environment. Siemens is pushing the upscaling and the production of such large- scale PEM electrolysis systems. ABSTRACT Introduction Cet article montre la nécessité de disposer de systèmes d’électrolyse PEM de forte puissance, contrastant avec les installations existant actuellement sur sites industriels. En outre, il décrit les défis tant techniques que logistiques de l’industrialisation de tels systèmes ainsi que la nécessaire prise en compte des concepts de service et de sécurité. Pour terminer, quelques aperçus sur l’approche de Siemens sont donnés en termes de perspectives sur les plans d’action et sur les applications [1]. Avantages des systèmes d’électrolyse de forte puissance La réduction des émissions de gaz à effet de serre n’est plus seulement une manifestation d’intérêt collectif de pure forme mais une réalité quantifiée et chiffrée. L’objectif de réduction des émissions de dioxyde de carbone a été fixé par l’Union européenne à 80 % pour l’horizon 2050 (base des chiffres de 1990) [2]. Des actions appropriées sont donc nécessaires dans tous les domaines constitutifs de l’économie nationale : production industrielle, transport, pro- duction d’énergie et secteur domes- tique. Les potentiels les plus prometteurs sont perçus dans la façon de produire l’énergie électrique à partir d’énergies renouvelables telles que les énergies hydraulique, éolienne et solaire. La no- tion de production durable d’électricité devient par ailleurs un thème central au vu des annonces récurrentes de pénu- rie des ressources naturelles, qu’elles soient fossiles ou autres. A l’inverse de l’énergie hydraulique, du fait de leurs caractéristiques fluctuantes, les énergies du vent et du soleil posent des problématiques prévisionnelles nou- velles aux producteurs d’électricité qui n’apparaissaient pas de manière aussi nette dans les modes conventionnels de production d’électricité à l’aide de cen- trales nucléaires, de turbines à gaz ou de centrales à charbon. L’équilibre sur le réseau électrique entre la production et la consommation d’élec- tricité doit être assuré à tout moment [3]. Des créneaux horaires d’énergie excéden- taire apparaissent lorsque la demande est trop faible et que les besoins en énergie sont satisfaits. Les éoliennes au Nord ou à l’Est de l’Allemagne sont très souvent affectées par ce phénomène. Selon des études, plus de 400 GWh d’énergie éo- lienne ont été perdus en 2011. Environ 116 000 ménages auraient pu être ali- mentés pendant une année entière avec une telle quantité d’électricité [4]. Il existe également des situations où la consommation d’électricité réelle est plus importante que la capacité de pro- duction par les énergies renouvelables pour des raisons de période d’assom- brissement ou de calme éolien. Pour couvrir ces pics de demande à court terme, les centrales électriques à gaz et à charbon sont à disposition mais la motivation de leurs opérateurs a été fortement diminuée par les directives donnant la priorité aux énergies renou- velables. En effet, à côté de l’investis- sement, l’un des paramètres majeurs conditionnant la rentabilité d’une cen- trale, est son taux d’utilisation c’est-à- dire le nombre d’heures d’exploitation. D’une manière générale, on constate un changement de paradigme chez les producteurs d’électricité qui, jusqu’à pré- sent, organisaient leur production autour de la demande. Un autre phénomène, le prix de l’électricité négatif, fait son appa- rition de plus en plus fréquemment. La gestion du mécanisme de l’offre et de la demande d’électricité est assurée par la Bourse de l’énergie de Leipzig (EEX : European Energy Exchange AG) et les périodes de temps durant lesquelles les consommateurs peuvent être rétribués pour leur consommation d’électricité ne sont plus rares. En 2011, cette situation s’est présentée pendant 2 % du temps. REE N°2/2015 59 Développement de systèmes d’électrolyse de forte puissance : nécessité et approche Le paragraphe précédent montre deux choses : tout d’abord que la réduc- tion continue du dioxyde de carbone nécessite non seulement des solutions non carbonées ou, a minima, moins car- bonées pour la production de l’énergie électrique, mais aussi que l’expansion des énergies renouvelables nécessite qu’elles soient utilisées ou stockées, sans être forcément immédiatement injectées dans le réseau électrique, afin d’éviter d’avoir à compenser les différences entre production et consommation. Il ne s’agit pas là de stockage de faibles quantités d’énergie pendant de courtes durées. Les études actuelles montrent que la demande de stockage pourrait aller jusqu’à 40 TWh en 2040, répartis sur des semaines voire des mois [5]. Dans cette perspective, d’intenses discussions ont lieu, non seulement sur les solutions à utiliser mais aussi sur la possibilité de recourir à des modes de stockage nouveaux. Les critères d’éva- luation et de comparaison sont la quan- tité d’énergie à stocker, la durée ainsi que la faisabilité technique et l’accepta- bilité sur le plan politique. Les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) sont incontestable- ment les plus efficaces, mais elles sont sujettes à des restrictions géologiques. Les stockages d’énergie par air compri- mé et naturellement sur batteries sont des solutions en cours d’évaluation. L’utilisation de l’hydrogène en tant que vecteur de transformation d’énergie via le processus d’électrolyse fait partie aujourd’hui de la réalité. De grandes quantités d’énergie allant jusqu’à plu- sieurs TWh peuvent être stockées pen- dant des mois pratiquement sans perte. Le principe de l’électrolyse scindant la molécule d’eau en hydrogène et oxy- gène est connu depuis le début du 19e siècle suite aux expériences de Johann Wilhelm Ritter. Tous les systèmes d’élec- trolyse ne sont cependant pas basés sur le même fonctionnement et chaque technologie présente des avantages spécifiques en fonction du domaine d’application et du mode d’opération. Dans le passé, les électrolyseurs al- calins ont été utilisés en continu, sans fluctuation d’énergie ou d’alimentation en eau, pour produire de l’hydrogène principalement à pression atmosphé- rique. Aucune flexibilité dans la pro- duction n’était alors demandée. De nos jours les exigences relatives aux carac- téristiques techniques des systèmes d’électrolyse ont changé énormément. Un comportement dynamique avec une dégradation minimale des matériaux est souvent préféré à la recherche de l’effi- cacité optimale : le vent arrive en bour- rasques, le soleil disparaît derrière les nuages, le tout dans un laps de temps de l’ordre de quelques secondes. Un système d’électrolyse doit en consé- quence pouvoir maîtriser des gradients d’énergie positifs ou négatifs abrupts de quelques secondes ou être arrêté durant des heures avant de supporter des situations de surcharges soudaines. L’électrolyseur absorbe l’énergie excédentaire ou non ré-injectable dans le réseau et la convertit en hydrogène. En raison de leur grande dynamique, les systèmes PEM peuvent être utilisés pour l’équilibrage du réseau électrique en assurant des connexions/décon- nexions rapides de la charge. A l’inverse des systèmes alcalins, utili- sant des solutions potassiques, l’électro- lyseur PEM est équipé d’une membrane conductrice électrique qui permet des performances élevées en termes de pas- sage de densité de courant (figure 1). Cette membrane constitue en outre une séparation étanche entre les gaz (l’oxygène et l’hydrogène) pouvant supporter des ni- veaux de pression de 100 bars et plus. Les électrolyseurs PEM, contraire- ment aux systèmes alcalins, n’ont pas be- soin d’être maintenus en température et peuvent être complètement arrêtés, ce qui élimine les coûts de fonctionnement à l’arrêt. Les purges du système à l’aide de gaz inerte ou l’application de tension pro- tectrice pour empêcher les électrodes de se décomposer ne sont pas nécessaires. Dès la mise sous tension, l’électrolyseur PEM commence à produire, sans aucune phase de préchauffage, ce qui favorise sa haute dynamique. Jusqu’à présent les électrolyseurs PEM n’étaient disponibles que dans une gamme de puissance au-dessous d’un Figure 1 : PEM et électrolyse alcaline : principe de base et différences. Source : Siemens AG. 60 REE N°2/2015 L'HYDROGÈNEDOSSIER 1 MW et étaient surtout très utilisés en laboratoires ou dans le domaine médi- cal. Des quantités d’hydrogène au-des- sus de 100 m3 normés (Nm³) par heure ne peuvent pas être produites dans ces conditions. La question simpliste « Souhaitez-vous un gros électrolyseur ou un PEM ? » ap- partient désormais au passé. La demande actuelle pour les futures applications de production d’hydrogène est plutôt axée sur « forte puissance et PEM » et non « forte puissance ou PEM ». Ces électroly- seurs de forte puissance peuvent conver- tir l’énergie excédentaire des grands parcs éoliens et permettre leur stockage tout en contribuant à l’équilibre du réseau élec- trique. Si nécessaire, l’hydrogène peut être « ré-électrifié » dans des turbines à gaz ou être injecté pur ou comme additif au méthane dans les réseaux de gaz. L’hydrogène peut aussi, contraire- ment à d’autres moyens de stockage, satisfaire d’autres besoins. Produit à par- tir d’énergies renouvelables, l’hydrogène est dé-carboné (aucune empreinte CO2 ) et constitue un combustible pou- vant, par exemple, alimenter les piles à combustible des véhicules électriques. L’hydrogène est aussi un composant essentiel de nombreux processus indus- triels. 40 % de la consommation annuelle, ce qui correspond approximativement à 500 milliards de Nm³, sont utilisés pour la production d’engrais qui croît propor- tionnellement à la population mondiale. Aujourd’hui, 95 % de l’hydrogène est pro- duit par le processus de vaporéformage qui dégage beaucoup de dioxyde de car- bone. Face à ces débouchés, la technolo- gie des électrolyseurs de forte puissance utilisant les énergies renouvelables trouve ici tout son intérêt [6]. Approche technologique Dans le cas des électrolyseurs PEM, la réflexion d’Aristote « La totalité est plus que la somme des parties » prend tout son sens [7]. Pour planifier l’extension d’une technologie nouvelle et novatrice, il n’est pas nécessaire de cumuler un ensemble de nouvelles technologies, il suffit souvent de s’appuyer sur l’expé- rience acquise dans des sous-systèmes éprouvés. Pour développer un électrolyseur de forte puissance, il ne suffit pas de « pen- ser grand » ; il est également essentiel de disposer d’une large expérience dans la définition et la construction de grands systèmes. Un système d’électrolyse PEM de plu- sieurs MW ne peut pas seulement être un empilage de cellules d’électrolyse et une combinaison de composants. Il s’agit bien d’une part, de conception intégrée, de sélection de matériaux et d’ingénierie technique, et d’autre part, d’interactions entre sous-systèmes électrochimiques et électrotechniques. La possession d’un véritable savoir-faire de production, d’un concept transparent de sécurité ainsi que d’une organisation expérimentée et compétente pour les mises en route et le service sont indispensables. Expériences intégrées dans le développement des systèmes d’électrolyse La maturité des électrolyseurs PEM de Siemens a déjà permis leur utilisation dans plusieurs applications. La première génération (SILYZER 100) a été conçue sous forme de conteneurs pour des puissances allant jusqu’à 300 kW. Ces systèmes ont été exploités sous forme de démonstrateurs ou pour d’autres projets pilotes depuis 2012. Ils ont été utilisés dans des conditions réelles mais aussi en utilisant des modèles de simu- lation spéciaux pour vérifier les caracté- ristiques techniques, tels que la marche dynamique et pressurisée, le fonction- nement marche/arrêt, la quantité d’hy- drogène produite et sa qualité, etc. Les essais de longue durée des électroly- seurs PEM en laboratoire cumulent plus de 60 000 heures. Les tests sous des niveaux de pression différents ont été exécutés avec succès pour une pression standard de 50 bars et même jusqu’à 100 bars. Il est ainsi aujourd’hui prouvé, qu’une pression opérationnelle haute n’a aucune influence sur la puissance consommée du processus d’électrolyse (figure 2). L’hydrogène sous pression au sortir de l’électrolyseur permettra ainsi l’utilisation d’une plus large gamme de compresseurs pour réaliser le stockage suivant le type d’application, et cela sans coûts supplémentaires. Les ingénieurs de Siemens peuvent aussi se baser sur un savoir-faire de plus 40 ans dans le domaine du développe- ment et de la production d’électrodes. Les électrodes, éléments principaux d’un système d’électrolyse PEM, sont déposées sur une membrane MEA (Membrane Electrode Assembly) et for- ment chacune, avec deux plaques bipo- laires (BIP) et une couche de diffusion gazeuse (GDL : Gas Diffusion Layer), la cellule d’électrolyse. En règle générale, on s’accorde à dire que la membrane (MEA) est responsable de la durée de vie de l’électrolyseur et que les plaques bipolaires (BIP) engendrent les coûts. La durée de vie des piles PEM des élec- trolyseurs de la gamme Silyzer 200 est supérieure à 10 ans (87 200 heures) quel que soit le mode de fonctionne- ment, continu ou dynamique. L’assemblage d’un ensemble de cel- lules forme alors le cœur du système PEM : la pile (figure 3). La puissance d’un système PEM est calculée en multipliant la surface active de la cellule par le nombre de cellules ainsi que par le produit de la densité de courant en A/cm² et de la tension cellulaire. Dans le cas de la pile représentée, cela signifie que pour une puissance nominale de 25 kW, pour 40 cellules de 300 cm² et une den- sité de courant d’un ampère par cm², la tension cellulaire est d’approximati- vement 2,09 V. REE N°2/2015 61 Développement de systèmes d’électrolyse de forte puissance : nécessité et approche Ainsi qu’il ressort de la figure 2, on peut voir l’énorme potentiel résidant dans la construction des cellules ainsi que les progrès réalisés, puisque pour un niveau de tension cellulaire de 2 V, des niveaux de densité de courant l’ordre de 1,5 à 2 A sont aujourd’hui atteints. Ces résultats sont capitaux car la tension cellulaire détermine l’efficacité des cel- lules, et la densité de courant, la quan- tité d’hydrogène produite. Une tension cellulaire inférieure, à densité de courant égale, signifie une production d’hydro- gène égale, à puissance consommée in- férieure, donc à un rendement meilleur. Aujourd’hui, le rendement des piles PEM des électrolyseurs de la gamme Silyzer 200 est de l’ordre de 70 %. Le passage à la gamme de puis- sance supérieure est alors simplifié. Le concepteur peut agrandir la surface cel- lulaire active ou la quantité de cellules par pile. La puissance de l’électrolyseur peut aussi être augmentée par une den- sité de courant par cm² plus élevée ou par une tension cellulaire plus haute. Les limites de ces différentes solutions se comprennent aisément. Tandis que dans le dernier cas ce sont les lois phy- siques qui définissent les limites, dans le premier, ce seront des problèmes de statique et d’approvisionnement d’eau qui limiteront la juxtaposition successive des cellules. La seule façon réaliste reste alors l’agrandissement de la surface cel- lulaire active. Mais les conséquences sur les pro- cessus de fabrication et de conception cellulaire deviennent alors complexes. De petites membranes (MEA) peuvent être fabriquées sur des systèmes en partie automatisés avec des dispositifs traditionnels et des spécialistes compé- tents dans des ateliers. Une membrane d’un mètre carré nécessitera de grandes machines de production qui aujourd’hui n’existent pas. Le champ actif (flow- field) des plaques bipolaires (BIP), cru- cial pour l’approvisionnement en eau et pour la gestion de la chaleur, sera plus complexe et les domaines mal desser- vis de la membrane pourront conduire à des zones d’ombre qui impacteront l’efficacité du système d’électrolyse ainsi que sa durée de vie globale. L’utilisation de lignes de production automatisées haut de gamme sera dès lors incon- tournable. Les matériaux nécessaires à la fabrication des membranes (MEA), notamment le platine, atteindront des quantités qui demanderont la mise en place de réseaux d’acheteurs spé- cialisés globaux et couplés à une lo- gistique d’approvisionnement fiable. La fabrication des membranes (MEA) est en fait reconnue comme étant la disci- pline nécessitant le plus grand savoir-faire dans la fabrication des systèmes d’élec- trolyse. C’est non seulement le choix du matériau qui est en cause mais aussi sa composition, la dépose et la quantité de matière qui sont déterminants. Aujourd’hui, les moyens de pro- duction de membranes supérieures à 1 000 cm² ont été mis en place pour Figure 2 : Courbes courant-voltage du système PEM Siemens à des niveaux de pression différents. Source : Siemens AG. Figure 3 : Pile PEM électrolytique de 40 cellules - Source : Siemens AG. 62 REE N°2/2015 L'HYDROGÈNEDOSSIER 1 la deuxième génération d’électroly- seurs (Silyzer 200) chez Siemens en Allemagne. Ainsi, l’approche technolo- gique pour la production de prochaines gammes utilisant des cellules d’un m², par exemple, est déjà connue. Beaucoup de choses deviennent plus faciles à manipuler lorsqu’elles sont plus grandes. La complexité technique d’un espace limité disparaît avec l’industria- lisation d’éléments dimensionnels plus grands. Ces principes ne s’appliquent cependant qu’en partie pour la fabrica- tion d’électrolyseurs PEM. En plus de la pile et des procédés de fabrication, la gestion des gaz et de l’eau joue un rôle prépondérant dans l’exten- sion de gamme. Du fait de la séparation des molécules d’eau en leurs éléments constitutifs dans le processus d’électro- lyse, une analyse de la consommation d’eau est nécessaire. Le processus d’élec- trolyse nécessite une eau déminéralisée et la consommation est d’environ 10 litres pour un kg d’hydrogène produit. Le processus total nécessitera approximati- vement 15 litres d’eau potable qui sera traitée et rejetée dans le système d’eaux usées normal. Cela signifie, qu’une quanti- té de 0,25 kg d’hydrogène et approximati- vement cinq litres d’eau du robinet seront nécessaires pour stocker 10 kWh d’éner- gie. La même quantité d’énergie (10 kWh) est contenue dans un litre de fioul. Ces données transposées à un élec- trolyseur de 100 MW, par exemple, conduiraient alors à un besoin d’environ 36 000 litres d’eau du robinet par heure ou 600 litres par minute. Des pompes à eau de ces dimensions sont disponibles sur le marché, mais un réservoir tampon d’eau déminéralisée serait nécessaire pour compenser le comportement dy- namique de l’électrolyseur PEM et pour équilibrer des fluctuations de pression du système d’alimentation en eau. Cet exemple montre de nouveau que le savoir-faire inter-disciplines et trans-industriel est absolument néces- saire car des échangeurs d’ions, des osmoseurs inverses ou des usines de dessalement devront être intégrés pour former un système complet. L’électronique de puissance, le sys- tème de commande et la connexion au réseau constituent la partie électro- technique de l’électrolyseur. A l’inverse des systèmes plus petits actuellement disponibles, les électrolyseurs de forte puissance nécessiteront de se connec- ter aux réseaux de moyenne ou de haute tension. En plus des composants, Siemens dis- pose de spécialistes certifiés (notamment dans le domaine de la haute tension) ayant les compétences souhaitées, ainsi que l’expérience nécessaire. Une expé- rience de 50 années dans la construction et l’ingénierie des redresseurs de puis- sance (Heavy Duty Rectifiers) complète les dernières exigences requises pour la réalisation de nos électrolyseurs (figure 4). La conception d’alimentations élec- triques adaptées aux électrolyseurs de haute puissance est prête et a été optimi- sée sur la base de programmes simulant l’interaction entre les transformateurs de réseau et les profils de vent réels. Des systèmes de contrôle-com- mande sont nécessaires pour la sur- veillance, le contrôle et la régulation de l’ensemble du processus d’électro- lyse. Tous les composants du système, incluant les capteurs et actionneurs de sécurité appropriés sont connectés à des alimentations sans interruption (UPS). En cas de panne d’électricité, l’arrêt contrôlé du système d’électrolyse ainsi que l’enre- gistrement des valeurs mesurées et des incidents sont garantis. La communica- tion avec des systèmes de commande supérieurs basée sur des protocoles et des interfaces appropriés est possible. Dans la deuxième génération d’élec- trolyseurs (SILYZER 200), des fonction- nalités telles que, la surveillance des états, le diagnostic et la télécommande ont été intégrées en standard pour garantir l’assistance au processus à dis- tance et éviter les arrêts de production non planifiés pendant la production ou la maintenance. L’expérience acquise dans de nom- breuses réalisations internationales avec le système Siemens de contrôle- Figure 4 : Les redresseurs courant fort actuels de Siemens pour les systèmes d’électrolyse de forte puissance - Source : Siemens AG. REE N°2/2015 63 Développement de systèmes d’électrolyse de forte puissance : nécessité et approche commande Simatic PCS 7 est aussi mise à profit dans les électrolyseurs Siemens, en association avec le système stan- dardisé de service à distance “Common Remote Service Platform (CRSP)”. Le système de contrôle-commande ainsi que tous les capteurs contribuent à la surveillance et à la régulation de tous les paramètres critiques du système et aux fonctions obligatoires de sécurité [8]. Les signaux enregistrés sont traités fonctionnellement et archivés pour l’analyse ultérieure durant des périodes de temps définis. Les signaux de sécu- rité de haute criticité sont traités non seulement par des logiciels de sécurité mais aussi dans des systèmes redon- dants de sécurité câblée. Les valeurs pertinentes de production peuvent être visualisées sur l’interface d’affichage homme-machine. La grande quantité de données à traiter amènera rapide- ment les supports locaux de données à leur limite. A l’avenir, la mise en œuvre de concepts de nuages informatiques devra être envisagée. Le contrôle-commande supporte également de nombreuses fonctions de régulation, par exemple le contrôle de la température dans le système de refroi- dissement ou la régulation de la pres- sion dans les conduites d’hydrogène et d’oxygène. Ces sujets posent quelques défis dans les domaines des matériels, de la production, des composants et du système de commande. Les concepts de sécurité Le succès d’une technologie nova- trice comme l’électrolyse PEM et le rôle que l’hydrogène jouera dans le scé- nario de l’énergie du futur dépendent énormément de l’acceptation socié- tale. Les prérequis sont la transparence durant le développement, l’évaluation de la technologie, la confiance et pour conclure une production sécurisée et contrôlable sans aucun risque secon- daire ultérieur. Les objectifs premiers sont la pro- duction et l’utilisation sûres de l’hydro- gène. Pour atteindre ces objectifs, Siemens a développé un concept de sécurité global et autonome pour l’électrolyseur PEM, conformément à toutes les direc- tives, normes et formalités applicables. Le système d’électrolyse est principa- lement divisé en deux zones : la partie électrochimique, où le processus d’élec- trolyse a lieu, et la partie électrotech- nique qui consiste en des composants standard Siemens testés et certifiés. Le système a obtenu la certification de conformité CE [9] dans sa globalité c’est-à-dire une conformité avec tous les règlements, directives et normes applicables, par exemple, la réglemen- tation pour les équipements à pression (Druckbehälter VO 97/23/EC) ; Atex 94/9/EC ; Maschinen VO 2006/42/EC. Tous les résultats et connaissances acquis dans le contexte de ces pro- cessus de certification peuvent être transférés à la gamme des prochains électrolyseurs de puissance. Une trans- parence sans faille, le respect de tous les règlements ainsi que l’implication de tous les bureaux de certification importants dès le stade du développe- ment garantissent une technicité sûre et fiable. Concrètement, des mesures sont définies et documentées comme primaires, secondaires et tertiaires [10]. Des mesures primaires visent à éli- miner les dangers potentiels ou à se protéger de risques en utilisant intrin- sèquement des méthodes sûres de construction et de conception. De tels risques sont, par exemple, l’apparition d’atmosphères explosives, de surpres- sions ou de surchauffes. Ces mesures primaires permettent de réduire de façon durable la maintenance préven- tive. Tous les matériaux utilisés dans le système d’électrolyse PEM sont conçus pour résister à toutes les sollicitations thermiques, chimiques et mécaniques prédéterminées. Pour les pièces cri- tiques, des certificats de tests complé- mentaires sont exigés des fournisseurs. Tous les joints et parties de tuyauterie suivent la réglementation des équipe- ments à pression (Druckbehälter VO 97/23/EC). Un système de ventilation Figure 5 : Taux de rendement global - Evaluation valide pour les systèmes et les usines. Source : Siemens AG. 64 REE N°2/2015 L'HYDROGÈNEDOSSIER 1 indépendant appareillé avec une détec- tion de fuite garantira qu’aucun mélange de gaz explosifs ne peut apparaître à aucun moment durant la production. Les mesures secondaires visent à limiter les conséquences de défail- lances pouvant survenir malgré la mise en place des mesures primaires. Les moyens préconisés sont les larges utili- sations de capteurs de température, de fuites de gaz et de variations de pres- sion. La mise à la terre et l’installation d’un contrôle à distance font partie des mêmes préconisations. Enfin, les mesures tertiaires per- mettent d’avoir l’assurance que, bien que les mesures primaires et secondaires aient été prises, les dérangements qui apparaitraient seront détectés immédia- tement, localisés précisément et limités dans leurs conséquences principales. Ces mesures consistent en l’utilisation de détecteurs complémentaires : de fuite d’eau, infrarouges pour la détec- tion d’incendie mais aussi une définition exacte et un marquage des restrictions d’accès vers le système d’électrolyse afin de le rendre sûr pour les êtres hu- mains et l’environnement. Ce « Concept de sécurité d’un sys- tème d’électrolyseur hydrogène PEM autonome » est à la base de la concep- tion des systèmes d’électrolyse de forte puissance et est adapté et optimisé pour les phases de développement et de fabrication [11]. Les services associés à l’exploitation d’un système d’électrolyse La production d’un système d’élec- trolyse de forte puissance implique un investissement conséquent pour le client ou l’opérateur qui ont de grandes attentes sur ce sujet. En plus de l’inves- tissement, la production et les coûts de maintenance influent sur la rentabilité financière. Dans le contexte industriel, la plupart du temps « les coûts totaux de possession (Total Cost of Ownership : TCO) » sont pris en compte pour évaluer les délais du « retour sur investissement (ROI) » qui est de l’ordre de trois à cinq ans. L’indicateur clé de performance est le « taux de rendement global (Overall Equipment Effectiveness : OEE) » résul- tant du cumul de la disponibilité, de la productivité et de la qualité du système de production (figure 5). Les plus grands défis pour le service et le support après la mise en route sont d’optimiser les coûts d’exploitation, de sécuriser l’investissement et d’assurer la disponibilité de l’installation. Pour y parvenir, on suppose tout d’abord la présence d’une organisation de ser- vice et de support sur place. Cela ne requiert cependant pas la présence de spécialistes du développement aptes à diagnostiquer et réparer n’importe quel dérangement. La présence de techni- ciens de maintenance locaux ayant une connaissance en électrotechnique et un savoir-faire dans le processus est la prio- rité dès l’arrivée de l’installation sur site. La complexité du système d’électro- lyse doit être reflétée dans un concept de service simple et efficace. L’objectif doit être d’éviter tous les arrêts non planifiés sur la durée de vie globale de l’installation. Alors que la pile d’un système PEM est presque sans maintenance, les pièces d’usure mécanique sont critiques pour la production en ce qui concerne la dispo- nibilité. Les pompes, les ventilateurs et certaines vannes en sont des exemples. Les mesures de maintenance pré- ventive, les plans d’inspection, les sys- tèmes intégrés de surveillance et la disponibilité de service et de pièces de rechange doivent à tout moment assu- rer la fiabilité du système d’électrolyse pendant toute sa durée de vie. Les conclusions de différentes phi- losophies de maintenance doivent être intégrées dans la stratégie de service. La maintenance centrée sur la fiabilité (Reliability-centered Maintenance) est une procédure définissant des mesures à prendre pour que n’importe quel com- posant accomplisse sa fonction propre dans des circonstances données. Le concepteur répond aux questions de sa- voir quelles fonctions remplit le compo- sant ? Quelles défectuosités peut-il avoir ? Quelles sont les raisons des défauts ? Qu’est-ce qui rend le composant défec- tueux ? Quels impacts à court et long terme auront ces défauts ? Quelles sont les mesures préventives appropriées et quelle est la stratégie si aucune mesure préventive n’est prise [12] ? Le schéma des réponses forme alors la base du plan de maintenance, du concept de pièces de rechange et aussi des plans de for- mation spécifiques auprès du client et/ ou des techniciens de service. Plus grand et plus complexe est un système, plus importants sont les concepts de maintenance. Dans les systèmes d’électrolyse de forte puissance, le concept de service à distance joue un rôle majeur et est par- tie intégrante du système de contrôle commande. La condition préalable est, bien sûr, la connexion à Internet. La pro- tection contre les virus et l’intégration de fonctions plus simples, comme les outils de diagnostic, les tickets automatisés d’assistance et un concept fiable de mise à jour logicielle seront à l’avenir intégrés dans les systèmes PEM. Ils garantiront la protection contre les accès non auto- risés et contre les actions malveillantes. Ainsi, le système de contrôle commande garantira une disponibilité maximale en évitant les arrêts intempestifs. Seul un système de contrôle com- mande évolutif durant toute la vie de l’installation permettra d’intégrer les améliorations techniques et de sécuriser l’investissement par une haute producti- vité et une haute efficacité du système. Avec le système de contrôle com- mande Simatic PCS7, Siemens propose une solution mature et éprouvée com- REE N°2/2015 65 Développement de systèmes d’électrolyse de forte puissance : nécessité et approche prenant les services d’accès distants et de mise à jour (Lyfecycle services) dans le paquet logiciel standard [13]. Perspectives En raison de leurs caractéristiques, les électrolyseurs PEM pourront jouer un rôle clé dans l’avenir grâce à leur aptitude à transformer efficacement des énergies renouvelables (excéden- taires) vers la mobilité et l’industrie. Ils contribueront à une réduction durable des émissions de dioxyde de carbone dans tous les domaines économiques (figure 6). Les petites unités d’électrolyseurs PEM utilisées jusqu’à présent dans des projets pilotes ont été développées plus pour leur fonctionnalité que pour leur efficacité. Une simple connexion au réseau élec- trique suffit, les besoins en eau et maté- riaux sont raisonnables et les sujets de sécurité critiques, au vu de la petite taille des systèmes, se trouvent relativisés. Les exigences du marché évoluent et les systèmes d’électrolyse de 50 MW et plus devront être disponibles à moyen terme. Dans la foulée, le savoir- faire industriel devra permette d’opti- miser les coûts tout en atteignant une meilleure efficacité. Non seulement la fonctionnalité mais aussi « les coûts globaux de possession » seront les su- jets prioritaires et « l’hydrogène vert » ne pourra s’établir que si ses coûts de production s’avèrent comparables aux coûts actuels. Siemens s’inscrit au- jourd’hui parfaitement dans la perspec- tive de diminution des coûts exprimée dans le rapport de la FCH-JU de février 2014 [14]. Ces perspectives sont résu- mées dans le tableau 1. En se basant sur sa longue expéri- ence dans toutes les disciplines requi- ses, technologie PEM et fabrication des électrodes, redresseurs de courant fort, contrôle commande, électronique de puissance et processus de production, en se fondant sur son savoir-faire indus- triel et sur sa compétence en service, Siemens poursuit le développement et l’installation de systèmes à électrolyse PEM répondant à ces exigences. Références [1] J.TöplerundJ.Lehmann,Wasserstoff und Brennstoffzelle, chapitre 12, Springer - Verlag Berlin Heidelberg 2014. [2] Europ. Kommission, Fahrplan für den Übergang zu einer wettbewerbs- fähigen CO2 -armen Wirtschaft bis 2050, 8.3.2011. [3] https://www.regelleistung.net/ip/ action/static/marketinfo Tableau 1 : Evolution des prix des électrolyseurs PEM, incluant l’alimentation, le système de commande et le séchage (pureté H2 au-dessous de 99,4 %), excluant la connexion au réseau et le stockage - Source : Rapport FCH-JU (2014). Figure 6 : L’électrolyse, un système clé - Source : Siemens AG. Coûts des Electrolyseurs PEM 2015 2020 2025 2030 EUR/kW Moyennes 1 570 1 000 870 760 Extrêmes 1 200-1 940 700-1 00 480-1 270 250-1 270 66 REE N°2/2015 L'HYDROGÈNEDOSSIER 1 [4] FOCUS online, 28.11.12; http:// w w w.focus .de /immobilien / energiesparen/mehr-zwangs- abschaltungen-von-windparks-strom- fuer-116-000-haushalte-verpufft-ein- fach-so_aid_869999.html) [5] J. Auer and J. Keil, “Moderne Stroms- peicher”, DB Research, 31.01.2012, p.1. [6] Un système d’électrolyse de 100 MW produit environ 20 000 Nm³ d’hydro- gène par heure, cela signifie que pour produire 500 milliards de Nm³, envi- ron 3 000 systèmes de ce type sont nécessaires. [7] Sous le vocable « Emergence » ce type de considération est discuté dans pratiquement toutes les dis- ciplines scientifiques, comme par exemple : les gaz ont des caractéris- tiques telles que température et pres- sion, mais pas les molécules qui les composent. [8] Ce sont en particulier : courant, ten- sion, puissance, tension cellulaire, température cellulaire, contrôle de gaz, niveau de remplissage dans les séparateurs de gaz, pression de l’eau, pression du gaz, détection d‘hydro- gène, détection du feu et de fumées, valeurs de processus des circuits de refroidissement. [9] CE signifie la conformité avec les règlements européens ; une sorte de « passeport » à l’intérieur de l’Union européenne; EU-regulation 765/2008. [10] “Extended Primary Safety Measures (EPSM)”, “Extended Secondary Safety Measures (ESSM)” and “Extended Tertiary Safety Measures (ETSM)”. [11] G. Hotellier and I. Becker, "Safety Concept of a Self-Sustaining PEM Hydrogen Electrolyzer System", Siemens AG, presentation at ICHS International Conference on Hydrogen Safety, September 2013, Bruxelles. [12] J. Moubray, Reliability-centered Mai- ntenance, Updated 2nd Edit., ISBN 0-8311-3146-2, 2001, p.7ff. [13] w w w. siemens .de / indus t r y / lifecycle-services [14] Development of Water Electrolysis in the European Union, Final Report FCH JU: Fuel cells and hydrogen Joint undertaking, Feb. 2014. L'AUTEUR Marc De Volder est ingénieur en électricité et électronique et directeur des ventes pour l’Europe de l’Ouest, en charge des solutions hydrogène chez Siemens France.