Eau de récupération, le pionnier d'une approvisionnement énergétique durable et respectueuse du climat

Figure 3 : EnviroFALK Installation de traitement d'eau pure

Figure 4 : Nettoyage du cycle EnviroFALK

Figure 1 : Power-to-X (PtX)

Figure 2 : Membrane électrolytique polymère - électrolyse

Christopher Lenz, Responsable du Développement Commercial, EnviroFALK

Énergies renouvelables : Défis et opportunités

Le réchauffement climatique progressif nécessite une transition des combustibles fossiles limités vers des énergies propres et renouvelables provenant d'installations hydrauliques, solaires, éoliennes et de biogaz.

L'énergie éolienne et solaire sont les principaux vecteurs d'énergie de la production d'électricité renouvelable. Un problème majeur de l'économie énergétique future, dû à la fluctuation des énergies renouvelables, est cependant le stockage. Le réseau électrique n'est pas capable de stocker l'énergie en cas de déficit, ce qui conduit à la déconnexion des installations et à une efficacité réduite. Pour le stockage à court terme de l'électricité dite « d'appoint », des stations de pompage-turbinage et des batteries sont utilisées, mais celles-ci ne suffisent pas à assurer l'approvisionnement énergétique à long terme.

Power-to-X (PtX) : La technologie clé pour un meilleur bilan CO2

« Power-to-X » est un terme générique pour désigner des technologies permettant de transformer et de stocker l'électricité excédentaire issue des énergies renouvelables, afin de remplacer les vecteurs énergétiques fossiles (voir figure 1).

– Vecteur énergétique Gaze - Power-to-Gas (PtG)
– Carburants liquides - Power-to-Liquid (PtL)
– Produits chimiques de base - Power-to-Chemicals (PtC)

Power to Gas (PtG)

Le procédé PtG utilise l'électricité excédentaire pour produire ce qu'on appelle « hydrogène vert », qui, en tant que vecteur énergétique du futur, ne laisse derrière lui que de l'eau en résidu de combustion.

Différents types d'électrolyseurs, appelés « électrolyseurs », sont utilisés pour décomposer l'eau en ses composants chimiques, l'hydrogène (H2) et l'oxygène (O2), à l'aide d'électricité. L'« électrolyse à membrane échangeuse de protons (PEM) » (voir figure 2) joue un rôle important en raison de sa résistance aux variations de charge dues à la fluctuation des énergies renouvelables, ainsi que de sa haute efficacité et de ses temps de réaction rapides.

Après l'électrolyse, l'H2 est comprimé pour pouvoir être stocké et transporté. En tant que vecteur énergétique, l'hydrogène vert est utilisé notamment comme carburant écologique dans les véhicules à pile à combustible, dans l'industrie, ainsi qu'en tant que matière première dans l'industrie chimique et pharmaceutique.

Pour le transport et l'utilisation ultérieure, l'hydrogène peut, sous certaines conditions, être injecté dans les réseaux de gaz naturel existants. Cependant, en raison de sa densité énergétique inférieure, cela n'est possible qu'en quantités limitées. Pour injecter des volumes plus importants, l'H2 est d'abord converti en méthane (CH4) par méthanisation, puis injecté dans le réseau de gaz naturel, où il peut être utilisé pour le chauffage et/ou la production d'électricité.

De plus, les voitures et camions à moteur à gaz peuvent également être ravitaillés en hydrogène vert, ce qui permet une exploitation quasi neutre en carbone.

Power-to-Liquid (PtL)

L'hydrogène vert est également utilisé dans la fabrication de carburants liquides synthétiques. La technologie PtL utilise l'électricité excédentaire pour produire un gaz de synthèse à partir d'hydrogène et de monoxyde de carbone, à partir duquel sont fabriqués des carburants synthétiques liquides (E-Fuels). Cette technologie permet de remplacer progressivement l'essence et le diesel issus du pétrole. Elle permet également de produire des carburants synthétiques pour l'aviation et le maritime. Un avantage majeur de cette technologie est l'utilisation des infrastructures existantes, telles que les stations-service et les systèmes de transport.

Étant donné que la fabrication synthétique d'E-Fuels à partir d'électricité d'appoint fixe la même quantité de CO2 qu'elle libère lors de la combustion, ces carburants sont considérés comme neutres en carbone.

Power-to-Chemicals (PtC)

La technologie PtC, basée sur le procédé PtG, permet de produire des matières premières chimiques à partir d'électricité d'appoint et de la synthèse de l'hydrogène avec du CO2 et de l'azote, afin de remplacer les matières premières fossiles telles que le pétrole et le gaz naturel. Parmi ces produits figurent les plastiques, lessives et additifs, qui jouent un rôle important dans de nombreux secteurs industriels.

Eau ultrapure : La matière première indispensable pour les technologies PtX

L'eau ultrapure joue un rôle central dans toutes les technologies PtX, notamment dans la production d'hydrogène vert par électrolyse. Cette eau de haute pureté est presque exempte de contaminants tels que substances organiques, bactéries, particules et gaz dissous, et présente une conductivité très faible, typiquement de 0,055 µS/cm, ce qui la rend idéale pour des processus sensibles comme l'électrolyse PEM. L'eau ultrapure est obtenue à partir de différentes sources d'eau, dont la qualité peut varier considérablement selon l'origine. Cette diversité nécessite une préparation individualisée de l'eau ultrapure pour éliminer tous les minéraux et gaz indésirables susceptibles de perturber les processus d'électrolyse.

L'importance de l'eau ultrapure pour les processus PtX ne peut être sous-estimée : sans la qualité d'eau appropriée, des dépôts de sel peuvent se former sur les membranes et électrodes des électrolyseurs, compromettant leur efficacité et leur durée de vie. Par conséquent, la préparation de l'eau ultrapure en fonction du procédé (voir figure 3) n'est pas seulement un critère essentiel, mais un facteur critique de succès pour une production durable de carburants synthétiques.

De l'eau brute à l'eau ultrapure

Lors de la conception d'une installation de traitement de l'eau, l'intégration transparente dans le système PtX est cruciale. Cela inclut, par exemple, la planification en fonction du site dans le système global, la liaison technique via des interfaces de communication spécifiées, des composants d'installation standardisés et une documentation cohérente. Lors de la conception d'une station de traitement de l'eau, il faut également considérer le LCOE (Levelized Cost Of Electricity), en intégrant non seulement les coûts d'investissement, mais aussi les coûts d'exploitation courants. Ceux-ci comprennent la consommation d'énergie et de médias, les volumes d'eaux usées, les consommables et les coûts de service.

Le traitement de l'eau brute pour produire de l'hydrogène par électrolyse se déroule en plusieurs étapes spécifiques, adaptées à la qualité locale de l'eau dans un ingénierie détaillée. Différentes étapes de traitement sont employées, telles que :

– Pré-filtration par filtre à contre-pression, filtre à gravier ou ultrafiltration
– Élimination du calcaire et du magnésium par échangeur d'ions (ou dosage d'anti-calcaire pour stabiliser la dureté)
– Élimination ou fixation du CO2 par dégasage membranaire ou solution de soude
– Désalinisation > 98 % par osmose inverse (OI)
– Désalination complète par une seconde étape d'osmose inverse ou par électroionisation (EDI)
– Installations de recyclage de l'eau de procédé pour une désalinisation continue à < 0,1 µS/cm et filtration des particules à moins de 1 µm
– Installations de dégasage pour éliminer le H2 et l'O2 résiduels
– Système de prétraitement de l'eau de procédé avec réservoir de stockage et systèmes de surpression
– Système de refroidissement de l'eau de procédé (optionnel)

Qualités d'eau ultrapure variables selon le procédé :

Le principal atout des systèmes de traitement d'eau ultrapure EnviroFALK, spécialement conçus pour les applications à haute pression et haute température, comme l'électrolyse PEM, est la **nettoyage en circuit** (voir figure 4), permettant de recycler l'eau de procédé « contaminée ». Une technologie qui contribue activement à la protection de l'environnement et optimise l'efficacité économique des processus industriels. Les systèmes en boucle sont spécialement conçus pour traiter l'eau de procédé sous haute pression de fonctionnement jusqu'à 50 bar et à des températures supérieures à 65 °C. Grâce à l'utilisation de technologies modernes conçues pour un fonctionnement continu, une production fiable et économique de l'eau est assurée.

Solutions avancées d'eau ultrapure pour une sécurité maximale des processus et une flexibilité accrue

Chez EnviroFALK, tout tourne autour de concepts de solutions pour le traitement de l'eau dans les hôpitaux, laboratoires et certains secteurs industriels. De plus, les experts développent des systèmes d'eau ultrapure qui alimentent en eau de haute pureté les électrolyseurs, permettant une production fiable et efficace d'hydrogène.

La qualité et la disponibilité de l'eau ultrapure sont essentielles pour le processus PtX. Une haute disponibilité du service et des temps de réparation courts (Mean Time To Recover - MTTR), ainsi qu'une haute disponibilité du système (Service Level Agreement - SLA), sont indispensables pour les systèmes de traitement de l'eau. Pour minimiser les interruptions, des mesures telles que la redondance des composants critiques, une gestion optimisée des pièces de rechange, l'utilisation de composants éprouvés et une surveillance précise des paramètres du processus sont nécessaires. Ces stratégies permettent une disponibilité du système supérieure à 99 %. EnviroFALK propose une large gamme de composants de haute qualité pour garantir une sécurité maximale du processus.

Les systèmes de traitement d'eau ultrapure d'EnviroFALK se distinguent par leur conception modulaire, permettant une intégration flexible dans les concepts d'installation existants. Cette modularité offre l'avantage que les différentes étapes du traitement peuvent être disposées selon les contraintes spatiales et techniques du processus. Qu'elles soient côte à côte, empilées ou dans des locaux séparés, les systèmes peuvent être adaptés de manière optimale aux conditions spécifiques.

Systèmes avancés d'eau ultrapure pour une énergie verte

Au cours des dernières années, EnviroFALK a développé et fourni de nombreux systèmes de traitement d'eau ultrapure pour des projets PtX, en collaboration étroite avec des fabricants renommés de systèmes d'électrolyse.

Depuis les débuts en 2012, plus de 100 systèmes de traitement d'eau ultrapure ont été réalisés dans différentes configurations et capacités pour divers projets PtX. Ces systèmes contribuent aujourd'hui de manière significative à l'établissement de l'hydrogène comme vecteur d'énergie durable et à une production d'énergie respectueuse de l'environnement et moderne.

En 2015, une des plus grandes installations mondiales d'hydrogène à régulation flexible, d'une puissance électrique de 6 MW, a été construite dans la zone économique de Mainz-Hechtsheim. Là, des électrolyseurs PEM de Siemens produisent jusqu'à 1 000 Nm³ d'hydrogène vert par heure à partir d'énergie éolienne excédentaire. L'hydrogène produit est stocké localement puis utilisé dans diverses applications telles que le transport, l'industrie et le réseau de gaz naturel. La matière première « eau » est fournie par une station d'eau ultrapure de 1 000 l/h, puis dépourvue de particules fines et de sels dissous à l'aide d'une installation de traitement d'eau de procédé de 4 200 l/h.

En 2023, Air Liquide, en partenariat avec Siemens Energy, a lancé le projet « Trailblazer » à Oberhausen – un électrolyseur PEM de 20 MW pour la production d'hydrogène vert. Le Trailblazer fournit, via un pipeline existant, des industries clés telles que la sidérurgie, la chimie, la raffinerie et le transport avec 2 900 tonnes d'hydrogène vert par an, ainsi que de l'oxygène. EnviroFALK a fourni une installation en boucle avec une capacité de débit de 30 000 l/h. L'installation modulaire, pré-assemblée dans l'usine de Leverkusen, a été rapidement installée et mise en service sur site.

Autres exemples de réussite convaincants :

– Windgas Hanau GmbH (projet PtG)
Puissance électrique 1,25 MW issue de l'énergie éolienne, production d'hydrogène environ 200 Nm³/h, station d'eau ultrapure 300 l/h, recyclage en boucle 600 l/h

– Salzgitter Flachstahl (projet PtG)
Puissance électrique 2,2 MW issue de l'énergie éolienne, production d'hydrogène environ 400 Nm³/h, station d'eau ultrapure 900 l/h, recyclage en boucle 4 200 l/h

– Ludwigshafen (projet PtC)
Puissance électrique 54 MW, production d'hydrogène 8 000 t/an, station d'eau ultrapure 10 500 l/h, recyclage en boucle 150 000 l/h

Projets PtX pour une Europe climatiquement neutre

La planification de projets innovants PtX est une étape cruciale vers une Europe climatiquement neutre d'ici 2050. Ces projets contribuent à réduire la dépendance aux combustibles fossiles et à diversifier l'approvisionnement énergétique. Le premier atlas mondial PtX, élaboré par l'Institut Fraunhofer pour l'économie de l'énergie et la technique des systèmes énergétiques, montre le potentiel énorme, notamment dans les régions riches en sources d'énergie renouvelable. De tels projets peuvent non seulement transformer l'Europe, mais aussi l'infrastructure énergétique mondiale, créant une situation gagnant-gagnant pour l'environnement et l'économie.

EnviroFALK s'est préparé à soutenir ces projets PtX avec des systèmes modernes d'eau ultrapure, afin de continuer à faire progresser la neutralité carbone.

Biographie de Christopher Lenz :

Christopher Lenz, né en 1994 à Limburg an der Lahn, a montré dès son jeune âge un vif intérêt pour la durabilité et l'efficacité énergétique. Il a obtenu sa licence en technologie de l'énergie en 2019, avec une spécialisation dans la technologie de l'hydrogène pour une grande installation de production en collaboration avec Trianel GmbH. Son master en énergies renouvelables, qu'il a terminé en 2021 avec une étude d'analyse multicritères pour l'économie de l'hydrogène, a examiné les aspects économiques, écologiques et techniques. Ses deux mémoires reflètent son intérêt profond pour la technologie de l'hydrogène. En tant que chef de projet chez Trianel GmbH, il a contribué de manière significative à des projets liés à l'hydrogène. Depuis 2023, Christopher Lenz occupe le poste de Business Development Manager chez EnviroFALK, responsable du secteur des systèmes d'eau ultrapure pour les projets PtX.