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Des électrolyseurs à oxyde solide avec un rendement de 99 % pour l'entreprise GENVIA

Le 8 février 2021, le CEA, Schlumberger New Energy, Vinci Construction, Vicat et l’AREC Occitanie ont annoncé la création d'une co-entreprise (Partenariat public-privé) Genvia qui développera des électrolyseurs haute température à oxydes solides. L'ancienne directrice du CEA Liten, Florence Lambert, a été nommé PDG de Genvia. Genvia va déployer la technologie d'électrolyse à haute température du CEA à échelle industrielle.

Une usine de production sera implantée à Béziers, qui devrait permettre à la société conjointe de produire plusieurs gigawatts d'électrolyseurs et de piles à combustible à horizon 2030. L’Union européenne a donné son feu vert au projet le 11 janvier.

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Caractéristiques techniques de cette technologie qui affiche 99 % de rendement en pouvoir calorifique supérieur (PCS):

La cellule électrolytique comporte 3 composants principaux: l’électrolyte et deux électrodes.

- L'électrolyte est une membrane solide à base de céramique elle même composée d'oxyde de zirconium stabilisé à l’oxyde d'yttrium, la zircone yttriée. La membrane en zircone laisse passer l’oxygène sous forme d’ions et bloque les électrons qui viennent alimenter un circuit électrique externe. La conductivité électrique d’une zircone avec un réseau cubique est d’environ 10-14 - 10-13 S.cm-1 à la température ambiante et entre 5·10-2 S.cm-1 et 8·10-2 S.cm-1 à 850°C.

- L'électrode à hydrogène est un cermet, un matériau composite métal-céramique de nickel et de zircone yttriée

- L'électrode à oxygène est un matériau tout céramique de structure pérovskite.

40 brevets ont été déposé sur cet électrolyseur.

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Principe de fonctionnement: de la vapeur d’eau entre par l’électrode à hydrogène qui va être dissociée, sous l’effet du courant électrique et de la forte température (entre 700 et 800°C).
La vapeur d'eau est dissociée sous la forme de dihydrogène gazeux (H2) et d'ions oxygène (O2-).

Un premier démonstrateur a été élaboré en 2014. De la taille d’un réfrigérateur, l’objet était constitué de 25 cellules de 100 cm², formant un seul stack. Dans ce démonstrateur, la réaction dissociative se produit donc 25 fois.

La forte température de fonctionnement est atteinte grâce à un ingénieux système à partir d’ une source de chaleur autour de 150°C, ce qui est assez courant sur de nombreux sites industriels, les stations d’incinération ou la géothermie. Toute l’astuce, pour surchauffer cette vapeur d’eau de 150°C à 700°C sans consommer d'énergie électrique, se situe au niveau de l'architecture-système. En effet, la réaction d’électrolyse est endothermique, mais de la chaleur est créée par perte ohmique dans chaque cellule, et selon la tension choisie, cette chaleur-là peut exactement compenser l’endothermicité de la réaction d’électrolyse. C’est ce qu'on nomme le « point thermo-neutre », qui vaut 1,3 volt pour la cellule. En d’autres termes, en-dessous de 1,3 volt, il faut fournir de l'énergie pour maintenir la cellule chaude, mais au-dessus d’1,3 volt, la cellule génère de la chaleur.

Ainsi nous avons mis en place des échangeurs thermiques performants et nous avons fait en sorte d’atteindre un point de fonctionnement légèrement exothermique (au-dessus d’1,3 volt donc). De cette manière, nous avons pu récupérer la thermique des gaz de sortie pour surchauffer la vapeur d’eau en entrée (passant de 150°C à 700°C). Le tout, sans consommer d'énergie électrique. Ce qui a permis d’obtenir l’excellent rendement mesuré.

L’électrolyseur s’auto-entretient thermiquement une fois que nous avons atteint le point de fonctionnement nominal. Par contre, pour démarrer l’installation, il faut commencer par lui apporter de l’énergie.

Les autres avantages de cette technologie:

1) C’est une technologie réversible : au lieu de faire entrer de la vapeur d’eau pour produire de l’hydrogène et de l’oxygène, il est possible de générer de l’électricité et de la chaleur à partir d’un combustible (par exemple, l’hydrogène, mais également divers combustibles alternatifs, le gaz naturel, le biogaz, le méthanol, l’ammoniac…). Dit autrement, l’électrolyseur peut devenir une pile à combustible.

2) Cette technologie peut électrolyser du dioxyde de carbone (CO2), donc co-électrolyser de la vapeur d’eau et du CO2 en même temps. Cela produit un mélange H2/CO, qui pourra ensuite être transformé en différentes molécules d’intérêt, liquides ou gazeuses, comme le méthane, le méthanol, le diesel, etc. Nous sommes en plein dans le « power-to-X », qui permet également de nous positionner sur le combustible renouvelable.

L'entreprise Genvia

Genvia dispose d’une licence d’exploitation exclusive (dans son périmètre d’exploitation) et, dans une logique de continuité avec l’industrie, certains chercheurs du CEA vont rejoindre la joint-venture. Alors que notre stack actuel produit environ 100 grammes d’hydrogène par heure, nous sommes en train de développer un stack six fois plus puissant. Notre but est de mettre en marche un premier module composé de quatre stacks de puissance d’ici à cet été.

Sur la base de notre technologie, actuellement à TRL6, la feuille de route commune entre le CEA et Genvia nous amène à des démonstrateurs de 300 KW déployés sur site à partir de 2022.

À terme, Genvia vise des unités de plusieurs centaines de mégawatts à l’horizon 2030.

À ce stade, les derniers calculs technico-économiques évaluent le prix de l’hydrogène sous les 2 euros du kg.

Pour ces fortes puissances, nous tenons à garder une approche modulaire d'assemblage des cellules en stacks, assurant plus de flexibilité dans le pilotage de ces installations, afin de pouvoir installer les électrolyseurs au plus près des clients finaux et des sources d’énergies renouvelables, décentralisées sur le territoire.

Les partenaires fondateurs de Genvia:

François Jacq et Philippe Stohr (respectivement administrateur général et directeur des énergies du CEA de Grenoble), Ashok Belani et Olivier Peyret (vice-président exécutif des nouvelles énergies, et président du marché français chez Schlumberger), Guy Sidos (P-dg du cimentier Vicat), Pascal Baylocq (président de Geostock, filiale du groupe VINCI Construction) et Stéphane Péré (directeur général de l'AREC Occitanie).