​L’hydrogène est utilisé dans de nombreux secteurs industriels (chimie, agroalimentaire, transformation du verre, sidérurgie, microélectronique). L’électrolyse est également un procédé prometteur pouvant servir dans la chaîne de conversion et de stockage des énergies renouvelables intermittentes. 

Mais sa production est aujourd’hui très majoritairement réalisée par reformage de méthane/gaz naturel. Le CEA développe un procédé alternatif par électrolyse de l’eau alimentée par de l’électricité. Si la source électrique est décarbonée cela permet de limiter les émissions de gaz à effet de serre et d’économiser les énergies fossiles.

Les différents procédés d’électrolyse de l’eau se distinguent essentiellement par leur température de fonctionnement qui conditionne la quantité d’électricité à apporter pour dissocier la molécule d’eau. Une étape importante vient d’être franchie par le laboratoire de production d’hydrogène du CEA Liten : un système électrolyseur à haute température (700°C) produisant de l’hydrogène à partir de vapeur à 150°C et d’électricité avec une consommation électrique de 3,9 kWh/Nm3 (1) d’hydrogène. Ce prototype démontre qu’il est possible de produire de l’hydrogène en partant de chaleur à basse température avec des rendements inégalés grâce à une valorisation maximale de la chaleur dans le système.

Ce système conçu par le CEA intègre un « stack » (empilement de cellules, cœur de la réaction de production d’hydrogène) performant et optimisé en terme de coût, ainsi que les composants auxiliaires nécessaires à la gestion fluidique, thermique et électrique du système, de manière à le rendre autonome. Le système complet est compact, approximativement de la taille d’un réfrigérateur. Il permet de produire entre 1 et 2,5 Nm3/h d’hydrogène.  La chaleur des gaz de sortie est récupérée pour préchauffer les gaz d’entrée grâce à des échangeurs thermiques haute température performants lorsque le système fonctionne en mode légèrement exothermique. Le rendement de ce système a été mesuré et excède les 90 %, confirmant ainsi le potentiel de cette technologie.

Florence Lambert, directrice du CEA Liten : « Nous sommes convaincus que l’hydrogène vecteur d’énergie va jouer un rôle majeur dans la transition énergétique. Ces résultats à l’échelle du système nous confirment que l’électrolyse haute température est une alternative crédible pour produire de façon économiquement viable de l’hydrogène sans faire appel aux ressources fossiles. Notre expérience de plusieurs années sur les convertisseurs électrochimiques et l’optimisation thermique de procédés nous amènent aujourd’hui à un niveau de maturité jamais atteint. »

(1) Unité Nm3 : Il s’agit de ‘normaux mètres-cube’. Les gaz étant compressibles le volume de matière peut changer en fonction de la température et de la pression. ‘10 normaux mètres-cube’ correspondent à 10 m3 de gaz à 0°C et à une pression de 1 bar (pression atmosphérique).​

Le prototype de production d’hydrogène par électrolyse à haute performance de la vapeur d’eau à haute température conçu par le CEA. (crédit photo D. Guillaudin / CEA)​