Tout comprendre sur l’électrolyse de l’eau

Quel est le principe de l’électrolyse de l’eau ?

Électrolyse : définition

Le procédé d’électrolyse de l’eau consiste à séparer l’eau en ses deux composants élémentaires, c’est-à-dire l’hydrogène (H2) et l’oxygène (O2). On dit aussi que l'électrolyse produit une décomposition de l'eau.

On doit cette invention aux chimistes Sir Anthony Carliste et William Nicholson.

Pour réaliser l'électrolyse, on a besoin d’électricité pour faire passer le courant électrique qui va venir décomposer l’eau pure en hydrogène et oxygène.

On a aussi besoin d’une cellule électrolytique composée de deux électrodes (une cathode et une anode). Ces électrodes sont plongées dans une eau salée ou enrichie en acide sulfurique nommée électrolyte pour permettre une bonne conductivité électrique. Lorsque le courant électrique est lancé, les réactions électrochimiques se font à chaque électrode.

Du côté de l’anode, un phénomène d’oxydation se produit. Les molécules d’eau perdent alors des électrons pour former de l’oxygène gazeux et de l’hydrogène. Du côté de la cathode, c’est un phénomène de réduction qui s’observe. L’hydrogène gagne des électrons pour former l’hydrogène gazeux (H2).

In fine, l’hydrogène et l’oxygène produits avec cette expérience sont utilisés pour des applications industrielles que nous décrirons dans cet article.

Comment faire l'électrolyse de l'eau avec les différents types d'électrolyseurs ?

Pour produire de l’hydrogène avec le phénomène de l’électrolyse de l’eau, trois types de technologies existent. Les voici :

• L’électrolyseur alcalin est constitué de deux électrodes recouvertes d’un bain de solution électrolytique. Puis, on diffuse un courant continu qui permet d’isoler de l’hydrogène à la cathode, et de l’oxygène à l’anode. L’avantage de ce type d’électrolyseur est sa performance c’est pourquoi il est utilisé pour la production industrielle d’hydrogène en grande qualité ;
• L’électrolyseur PEM (Membrane Échangeuse de Protons - Proton exchange membrane en anglais) fonctionne grâce à une membrane polymère étanche au gaz pour laisser passer les ions positifs. Un courant continu est lancé à travers la membrane. La membrane va permettre d’isoler électriquement les deux électrodes fabriquées avec des métaux nobles. Puis on va pouvoir séparer les deux gaz (oxygène et hydrogène). Cette solution technologique se distingue par sa faible empreinte écologique car elle ne produit aucune émission de dioxyde de carbone ;
• L’électrolyseur SOEC (électrolyse à oxyde solide) nécessite des températures très élevées pour que le processus d’électrolyse opère. On emploie un électrolyte en céramique conducteur d’oxydes ioniques pour fabriquer de l’hydrogène. Les rendements de ce type d’installation sont très importants. On peut d’ailleurs utiliser la chaleur résiduelle des industries pour une production d’hydrogène plus verte.

Le choix d’une solution technique par rapport à une autre se fait surtout en fonction des besoins spécifiques de l’application industrielle. Si l’électrolyseur PEM est idéal pour les applications à petite échelle, les deux autres solutions seront recommandées pour une application industrielle importante.

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Applications Industrielles de l'électrolyse de l'eau

Production d'hydrogène

L’électrolyse de l’eau permet de produire en grande quantité de l’hydrogène qui peut ensuite être valorisé dans l’industrie.

L’hydrogène a deux utilisations principales dans l’industrie chimique. D’abord, l’hydrogène est un ingrédient de base pour produire de l’ammoniac et du méthanol. Ces ingrédients pourront ensuite servir pour créer des engrais. On retrouve également l’hydrogène dans le procédé industriel pour réaliser l’hydrogénation des huiles ou la production de produits chimiques.

De plus, l’hydrogène est une matière première largement employée dans le secteur de l’oil & gaz pour améliorer la qualité des produits pétroliers. Ainsi, l’hydrogène est injecté en tant que réactif dans les procédés de raffinage des produits bruts pétroliers pour supprimer le soufre.

Enfin, l’hydrogène est valorisable en tant que combustible pour les voitures à hydrogène équipées d’une pile à combustible. Les entreprises et les collectivités territoriales sont de plus en plus nombreuses à se tourner vers des flottes de véhicules de transports lourds qui fonctionnent à l’hydrogène.

Efficacité électrolyse de l'eau pour le stockage des énergies renouvelables

L’électrolyse de l’eau peut aussi soutenir le stockage des énergies renouvelables.

En effet, les énergies renouvelables comme le solaire ou l’éolien sont des énergies intermittentes. En hiver, lorsqu’il y a peu de luminosité, le solaire ne peut pas permettre d’atteindre les rendements espérés. En l’absence de vent, la production d’énergie avec l’éolien souffre du même problème.

Or, il y a au contraire des périodes où le solaire est trop important : l’électricité y est excédentaire. C’est la même chose pour l’éolien. Et dans le même temps, la demande en électricité baisse.

Pour valoriser cette énergie excédentaire qu’on ne peut pas valoriser tout de suite, on peut pratiquer l’électrolyse de l’eau. Grâce à cette technique, on sépare l’hydrogène de l’oxygène et l’on produit de l’hydrogène qui pourra être stocké.

L’hydrogène est ainsi stocké sous forme gazeuse ou liquide pour une utilisation ultérieure. L’électricité provenant des énergies renouvelables en excès n’est pas gaspillée.

Autres applications industrielles

L’électrolyse de l’eau est un procédé intéressant pour de nombreuses technologies et industries. Par exemple dans l’industrie électronique pour fournir de l’hydrogène pour la production de semi-conducteurs.

Dans la métallurgie, l’hydrogène a vocation à être utilisé pour réduire l’oxyde de certains métaux ou pour atteindre une pureté sur les alliages ferreux.

De même, pour produire du verre, l’industrie du verre se sert de l’hydrogène pour protéger les produits finis contre la contamination atmosphérique.

Pour finir, l’industrie pharmaceutique emploie l’hydrogène pour purifier les produits pharmaceutiques ou pour fabriquer des gaz de protection pour la production de certains médicaments.

Les applications de l’hydrogène sont variées dans l’industrie. Souvent, on salue l’utilisation de ce gaz par rapport à d’autres matières premières plus polluantes. En effet, l’impact environnemental de l’hydrogène est souvent plus intéressant que les matières fossiles.

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Électrolyse de l’eau : quel impact environnemental ?

Avantages environnementaux de l'électrolyse de l'eau alimentée par les énergies renouvelables

Il existe plusieurs méthodes de production de l’hydrogène. Parmi elles, l’électrolyse de l’eau est l’une des plus vertueuses pour l’environnement.

En effet, l’électrolyse de l’eau permet une production d’un hydrogène sans émission de gaz à effet de serre. Pour cela, il faut que l’électricité servant à alimenter la réaction chimique soit produite à partir des énergies renouvelables.

Tout le cercle de production de l’hydrogène vert est intéressant pour effectuer la transition énergétique nécessaire pour lutter contre le réchauffement climatique. Les énergies renouvelables comme le soleil ou le vent sont des ressources abondantes sur Terre et qui ne produisent aucune émission de CO2.

L’hydrogène fabriqué à partir de l’électrolyse de l’eau issue de ces ressources est préférable à l’hydrogène fabriqué à partir du gaz naturel, du pétrole ou du charbon.

Enfin, le concept de fabrication d’hydrogène avec les énergies vertes rend possible la fabrication d’un hydrogène local. Une aubaine pour les pays qui dépendent des ressources fossiles. Les énergies renouvelables peuvent être déployées partout sur un territoire. Elles peuvent alors être connectées à des installations d’électrolyse pour valoriser l’énergie excédentaire.

Comparaison de l'empreinte carbone des différents modes de production de l'hydrogène

Nous l’avons vu précédemment, il existe différentes méthodes de production de l’hydrogène :

Le vaporeformage consiste à utiliser un gaz carboné comme le méthane et à le faire monter à très haute température pour le casser et extraire l’hydrogène. C’est la technique la plus courante pour la production d’hydrogène à grande échelle. Pour un kg d’hydrogène produit avec cette technique, on dénombre l’émission de 9 à 12 tonnes de CO2.

La gazéification du charbon, qui est un processus de production de l’hydrogène à partir du charbon fossile, dégage de son côté jusqu’à 19 kg de CO2 par kg d’hydrogène.

Seule la technique de l’électrolyse de l’eau ne produit presque aucun dégagement de carbone car l’eau ne contient pas de carbone.

De plus, lorsque l’hydrogène est produit par électrolyse de l’eau issue de source d’énergie renouvelable, l’hydrogène a une empreinte carbone très faible, presque nulle. Les seules émissions de gaz à effet de serre liées au processus proviennent de la fabrication des équipements d’électrolyse ou au transport de l’hydrogène une fois produit.

C’est pourquoi on parle "d'hydrogène vert" quand les deux autres techniques précédentes sont appelées “hydrogène gris”.

Électrolyse de l'eau pure : un atout pour la transition énergétique ?

Il apparaît clair que l'électrolyse de l’eau peut être une solution pour réduire la dépendance des économies aux combustibles fossiles.

D’abord car l’hydrogène produit avec l’électrolyse de l’eau peut remplacer de nombreux combustibles fossiles dans des processus industriels. Par exemple pour la fabrication de l’ammoniac. L’hydrogène a aussi un rôle à jouer dans la décarbonation du secteur des transports avec la pile à combustible et les véhicules à hydrogène.

L’hydrogène produit à partir de l'électrolyse est une solution pour décarboner les secteurs industriels les plus difficiles à décarboner. Ainsi, on pourra réduire de façon significative les émissions de gaz à effet de serre des secteurs les plus polluants.

Et plus cette utilisation sera la norme, plus la dépendance aux combustibles fossiles se fera rare. Ce qui constitue un atout pour les économies qui ne possèdent pas de combustibles fossiles sur leur sol. L’hydrogène issu de l’électrolyse de l’eau n’a besoin que de l’énergie solaire et éolienne : deux énergies que l’on trouve en quantité sur toutes les zones de la planète. Contrairement aux combustibles fossiles qui sont présents en quantité limitée sur nos sols.

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