Les électrolyseurs doivent devenir des produits de masse

Électrolyseur à Haurup près de Flensburg. © H-TEC SYSTEMS GmbH

Ceux qui souhaitent utiliser l'hydrogène comme source d'énergie ont besoin d'électrolyseurs. Mais ils sont rares et coûteux, car ils sont encore largement fabriqués à la main. Afin de pouvoir les produire à l'échelle industrielle à l'avenir, une équipe de recherche du Fraunhofer IPA développe actuellement une usine d'électrolyseurs entièrement automatisée.

L'hydrogène est abondamment présent sur Terre. Cependant, il est très réactif et lié dans des molécules, comme dans l'eau (H2O). Ceux qui veulent utiliser cet élément gazeux comme source d'énergie sans émission doivent d'abord extraire l'hydrogène de la molécule d'eau. Pour cela, il existe ce que l'on appelle des électrolyseurs. Ils décomposent l'eau en ses composants : hydrogène (H2) et oxygène (O). Les piles à combustible peuvent reconvertir l'hydrogène en courant électrique, qui entraîne ensuite des moteurs. Ou l'hydrogène est brûlé directement dans des hauts fourneaux.

Étant donné que l'hydrogène joue un rôle important dans la transition énergétique et de mobilité, le monde aura besoin dans un avenir proche de masse de nouveaux électrolyseurs. Mais jusqu'à présent, ils sont encore principalement fabriqués à la main, ce qui prend beaucoup de temps, coûte cher et est sujet à des erreurs. Des scientifiques du Fraunhofer Institut pour la technologie de la production et l'automatisation (IPA) veulent donc automatiser entièrement la fabrication des électrolyseurs en collaboration avec des partenaires de la recherche et de l'industrie. « L'objectif est une usine d'électrolyseurs automatisée à l'échelle du gigawatt », explique Friedrich-Wilhelm Speckmann du Centre pour la production de cellules de batteries digitalisées (ZDB) du Fraunhofer IPA. « Les électrolyseurs produits ici en un an doivent donc avoir une puissance nominale cumulée d'au moins un gigawatt. »

Les robots prendront en charge l'empilement à l'avenir

Un électrolyseur se compose de deux électrodes — l'anode chargée positivement et la cathode chargée négativement — et d'un séparateur, dans ce cas une membrane échangeuse de protons (PEM). Pour augmenter la puissance, de nombreuses cellules d'électrolyse sont empilées pour former ce que l'on appelle un stack. Cet empilement est encore principalement réalisé à la main, mais pourrait à l'avenir être effectué par des robots.

Mais comme il faut automatiser non seulement l'empilement, mais toute la ligne de production, les chercheurs doivent également prendre en compte tous les processus en amont et en aval, jusqu'à l'intégration des systèmes complets. Les tâches vont de la planification de l'usine et de la production, aux tests de composants, jusqu'aux stations de contrôle en fin de ligne. De plus, le consortium développe également de nouveaux designs de stacks, qui simplifieront et accéléreront les futurs procédés de fabrication.

Planification du système de fabrication, robots et capteurs pour l'usine d'électrolyseurs

Pour réaliser l'usine d'électrolyseurs automatisée, les partenaires du projet construisent d'abord une ligne de production selon l'état actuel de la technique. Celle-ci sera ensuite adaptée et étendue module par module, afin d'améliorer la synchronisation et l'automatisation des différents processus. Les chercheurs abordent un certain nombre de questions ouvertes, par exemple : Quelle topologie de robot convient le mieux pour l'empilement ? Comment un robot doit-il saisir les composants et à quelle vitesse peut-il se déplacer pour ne pas endommager les pièces sensibles ? Quels capteurs optiques doivent être intégrés pour assurer la qualité ? Quelles technologies de fabrication permettent de faire évoluer la production d'électrolyseurs ? À quoi doit ressembler et comment doit être construite une usine d'électrolyseurs entièrement automatisée ?

Les réponses à ces questions et à bien d'autres encore doivent être trouvées d'ici le 31 mars 2025. À cette date, le projet de recherche « Industrialisation de la production d'électrolyseurs PEM » (PEP.IN), financé par le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) à hauteur de plus de 20 millions d'euros, arrivera à son terme. Le projet en consortium comprend, aux côtés du Fraunhofer IPA, l'Institut Fraunhofer pour les systèmes énergétiques solaires (ISE), l'Institut Fraunhofer pour l'environnement, la sécurité et la technologie énergétique (UMSICHT), MAN Energy Solutions SE, H-TEC Systems GmbH, Audi AG, VAF GmbH, le Centre pour la technologie des piles à combustible GmbH et le Centre de recherche Jülich GmbH. PEP.IN fait partie du projet phare « H2Giga », l'un des trois projets pilotes sur l'hydrogène, qui constitue une contribution centrale du BMBF à la mise en œuvre de la Stratégie nationale sur l'hydrogène.