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Eau ultra-pure pour les installations Power-to-X
L’électrolyse PEM est au cœur de la production d’hydrogène dans le cadre de la technologie Power-to-X. L’eau ultra-pure est une matière première indispensable. Découvrez ici les exigences posées aux installations d’eau ultrapure d’EnviroFALK et les points auxquels les exploitants d’électrolyseurs doivent veiller lors du traitement de l’eau.
Eau ultra-pure : 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 très pure est pratiquement exempte d’impuretés, telles que les matières organiques, les bactéries, les particules et les gaz dissous, et présente une conductivité très faible, typiquement de 0,055 µS/cm, ce qui la rend idéale pour une utilisation dans des processus sensibles comme l’électrolyse PEM. L’eau ultrapure est obtenue à partir de différentes eaux de départ, dont la qualité peut varier fortement en fonction de leur origine. Cette diversité nécessite un traitement de l’eau ultrapure adapté individuellement afin d’éliminer tous les minéraux et gaz indésirables qui pourraient sinon perturber les processus d’électrolyse.
L'importance de l'eau ultrapure pour les processus PtX
On ne soulignera jamais assez l’importance de l’eau ultrapure pour les processus PtX : Sans une qualité d’eau adéquate, des dépôts de sel peuvent se former sur les membranes et les électrodes des électrolyseurs et nuire considérablement à leur efficacité et à leur durée de vie. C’est pourquoi le traitement de l’eau ultrapure en fonction du processus n’est pas seulement un critère essentiel, mais un facteur de réussite critique pour la production durable de combustibles synthétiques.
« Power-to-X » est un terme générique désignant les technologies qui permettent de transformer et de stocker l’électricité excédentaire issue des énergies renouvelables, afin de remplacer les énergies fossiles.
De l'eau brute à l'eau ultrapure
Lors de la planification d’une installation de traitement de l’eau, l’intégration sans faille dans le système PtX est d’une importance capitale. Cela comprend, par exemple, la planification orientée vers le site dans le système global, la liaison technique de commande via des interfaces de communication spécifiées, des marques uniformes de composants d’installation et une documentation cohérente. De même, lors de la planification d’une installation de traitement de l’eau, il convient de prendre en compte le LCOE (Levelized Cost Of Electricity), qui comprend non seulement les coûts d’investissement, mais aussi les coûts d’exploitation courants. Il s’agit notamment de la consommation d’énergie et de fluides, des quantités d’eaux usées, des moyens d’exploitation et des coûts de service.
Le traitement de l’eau brute en vue de la production d’hydrogène par électrolyse s’effectue en plusieurs étapes de processus dans un ordre spécifique, qui est à chaque fois adapté à la qualité locale de l’eau dans le cadre d’une ingénierie détaillée. Différentes étapes du processus sont utilisées, telles que :
- Préfiltration au moyen d’un filtre à rétrolavage, d’un filtre à gravier ou d’une ultrafiltration
- Elimination des agents de dureté calcium et magnésium au moyen d’installations d’adoucissement à échange d’ions (alternative : dosage d’antiscalant pour stabiliser la dureté).
- Elimination/liaison du CO2 au moyen d’un dégazage à membrane ou de soude caustique
- Dessalement à > 98 % par osmose inverse (RO)
- Déminéralisation complète au moyen d’une 2e étape d’osmose inverse ou d’une électrodéionisation (EDI)
- Installations de recyclage de l’eau de process pour le dessalement en continu à < 0,1 µS/cm et la filtration des particules à moins de 1 µm
- Installations de dégazage pour l’élimination résiduelle de H2 et O2
- Système d’alimentation en eau de process avec réservoir de stockage et installations de surpression
- Dispositif de refroidissement de l’eau de process (en option)
Qualités d'eau ultrapure variant en fonction du processus :
| Paramètres de qualité | Valeur limite |
| Conductibilité Acide silicique Fer total Sodium et potassium Concentration de particules | < 0,1 µS/cm < 100 µg/l < 100 µg/l < 20 µg/l Aucune particule |
Christopher Lenz
Business Development Manager chez EnviroFALK
Encore plus d'infos sur les installations d'eau ultrapure EnviroFALK pour l'électrolyse PEM, le cœur de la production d'hydrogène dans les technologies Power-to-X
Chez EnviroFALK, tout tourne autour des concepts de solutions pour le traitement de l’eau dans les hôpitaux, les laboratoires et certains secteurs industriels. En outre, les experts développent des installations d’eau ultrapure qui alimentent les électrolyseurs en eau très pure. L’entreprise permet ainsi une production fiable et efficace d’hydrogène.
La qualité et la disponibilité de l’eau ultrapure sont essentielles pour le processus PtX. Une grande disponibilité de service et des temps de réparation courts (Mean Time To Recover – MTTR) ainsi qu’une grande disponibilité du système (Service Level Agreement – SLA) sont indispensables pour les installations de traitement de l’eau. Pour minimiser les pannes de fonctionnement, des mesures telles que la redondance des composants critiques, l’optimisation de la gestion des pièces de rechange, l’utilisation de composants éprouvés et la surveillance précise des paramètres de processus sont nécessaires. Ces stratégies permettent d’atteindre une disponibilité du système supérieure à 99%. EnviroFALK propose à cet effet une large gamme de composants de haute qualité pour une sécurité maximale des processus.
Les systèmes de traitement des eaux ultrapures EnviroFALK se distinguent par leur conception modulaire, qui permet une intégration flexible dans les concepts d’installations existants. Cette modularité offre l’avantage de pouvoir disposer individuellement les différentes étapes du processus en fonction de l’espace et des exigences techniques du processus. Qu’ils soient placés côte à côte, les uns au-dessus des autres ou dans des pièces séparées, les systè
Au cours des dernières années, EnviroFALK a développé et fourni de nombreux systèmes de traitement d’eau ultrapure orientés vers les applications pour des projets PtX grâce à une étroite collaboration avec des fabricants de systèmes d’électrolyse renommés.
Depuis les premiers débuts en 2012 jusqu’à aujourd’hui, plus de 100 systèmes de processus d’eau ultrapure ont été réalisés dans différents concepts et niveaux de performance pour différents projets PtX. Ceux-ci contribuent aujourd’hui de manière décisive à l’établissement de l’hydrogène en tant que vecteur d’énergie durable et donc à une production d’énergie respectueuse de l’environnement et moderne.
La construction de l’une des plus grandes installations d’hydrogène flexibles au monde à l’époque, avec une puissance électrique de 6 MW, a eu lieu en 2015 dans le parc économique de Mainz-Hechtsheim. Aujourd’hui, des électrolyseurs PEM de Siemens y produisent jusqu’à 1 000 Nm³ d’hydrogène vert par heure à partir de l’énergie éolienne électrique excédentaire. L’hydrogène produit est stocké temporairement sur place avant d’être acheminé vers différentes applications, comme les transports, l’industrie et le réseau de gaz naturel. La matière première « eau » est fournie par une installation d’eau ultrapure de 1.000 l/h et débarrassée des particules les plus fines et des sels dissous par une installation de purification en circuit fermé de 4.200 l/h d’eau de traitement.
En 2023, Air Liquide a construit, en collaboration avec Siemens Energy, le projet « Trailblazer » sur le site d’Oberhausen – un électrolyseur PEM de 20 MW pour la production d’hydrogène vert. Le Trailblazer fournit 2 900 tonnes d’hydrogène vert par an ainsi que de l’oxygène à des industries clés telles que l’acier, la chimie, les raffineries et les transports, via un pipeline d’hydrogène existant. EnviroFALK a fourni à cet effet une installation en circuit fermé d’un débit de 30 000 l/h. L’installation modulaire a été prémontée dans l’usine du fabricant à Leverkusen, prête à être raccordée, et a donc pu être installée sur place et mise en service dans un délai très court.
- Windgas Haßfurt GmbH (projet PtG)
Puissance électrique 1,25 MW à partir de l’énergie éolienne, production d’hydrogène env. 200 Nm³/h, installation d’eau ultrapure 300 l/h, nettoyage du circuit 600 l/h
- Salzgitter Flachstahl (projet PtG)
Puissance électrique 2,2 MW à partir d’énergie éolienne, production d’hydrogène env. 400 Nm³/h, installation d’eau ultrapure 900 l/h, nettoyage du circuit 4.200 l/h
- Ludwigshafen (projet PtC)
Puissance électrique 54 MW Production d’hydrogène 8000 t/a, installation d’eau ultrapure 10.500 l/h, nettoyage du circuit 150.000 l/h
« Power-to-X » est un terme générique qui désigne les technologies permettant de transformer et de stocker l’électricité excédentaire produite à partir d’énergies renouvelables, et de remplacer ainsi les énergies fossiles (figure 1).
- Sources d’énergie Gaz – Power-to-Gas (PtG)
- Carburants liquides – Power-to-Liquid (PtL)
- Produits chimiques de base – Power-to-Chemicals (PtC)
Le procédé PtG consiste à utiliser l’électricité verte excédentaire pour produire ce que l’on appelle de l’« hydrogène vert », une source d’énergie d’avenir qui ne laisse que de l’eau comme résidu de combustion.
Différents types de systèmes d’électrolyse, appelés « électrolyseurs », sont utilisés pour décomposer l’eau en ses composants chimiques, l’hydrogène (H2) et l’oxygène (O2), au moyen d’un courant électrique. L’« électrolyse à membrane électrolytique polymère (PEM) » (figure 2) joue en particulier un rôle important en raison de sa résistance aux variations de charge des énergies renouvelables fluctuantes, ainsi que de sa grande efficacité et de ses temps de réaction rapides.
Après l’électrolyse, l’H2 est comprimé afin de pouvoir être stocké et transporté. En tant que vecteur d’énergie, l’hydrogène vert est utilisé entre autres comme carburant écologique dans les véhicules à pile à combustible et les entreprises industrielles, et sous une forme transformée comme 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. Toutefois, cela n’est possible qu’en quantités limitées en raison de sa densité énergétique plus faible. Pour l’injection de quantités plus importantes, le gaz combustible méthane (CH4) est d’abord produit à partir de l’H2 par méthanisation, puis introduit dans le réseau de gaz naturel, où il peut être utilisé pour le chauffage et/ou la production d’électricité.
En outre, les voitures et les camions fonctionnant au gaz peuvent également être ravitaillés en hydrogène vert, ce qui leur permet de fonctionner de manière quasiment neutre pour le climat.
L’hydrogène vert est également utilisé dans la production de carburants liquides synthétiques. La technologie PtL consiste à utiliser l’électricité excédentaire pour produire un gaz de synthèse composé 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 la navigation. L’un des principaux avantages de cette technologie est qu’elle permet d’utiliser les infrastructures existantes, telles que les stations-service et les systèmes de transport.
Comme la production synthétique d’e-fuels à partir d’électricité verte lie la même quantité de CO2 qu’elle libère lors de la combustion, ces carburants sont considérés comme climatiquement neutres.
La technologie PtC, basée sur le procédé PtG, consiste à produire, à partir d’électricité verte et de la synthèse d’hydrogène avec du CO2 et de l’azote, des produits chimiques de base destinés à remplacer les matières premières fossiles comme le pétrole et le gaz naturel. Les plastiques, les détergents et les additifs, qui jouent un rôle important dans de nombreux secteurs industriels, en sont des exemples.
Le réchauffement climatique en cours exige une transition des combustibles fossiles épuisables vers des énergies propres et renouvelables issues d’installations hydrauliques, solaires, éoliennes et de biogaz.
Dans ce contexte, les énergies éolienne et solaire sont les principales sources d’énergie de la production d’électricité renouvelable. Toutefois, l’un des problèmes majeurs de l’économie énergétique future due aux énergies renouvelables fluctuantes est le stockage. Le réseau électrique n’est pas en mesure de stocker l’énergie en cas de manque de demande, ce qui entraîne la nécessité de réguler les installations et donc de les rendre inefficaces. Pour le stockage à court terme de l’électricité dite verte, on utilise certes jusqu’à présent des centrales de pompage-turbinage et des batteries, mais celles-ci ne suffisent pas à garantir l’approvisionnement énergétique à long terme.
La planification de projets PtX innovants 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 PtX mondial, réalisé par l’Institut Fraunhofer pour l’économie énergétique et la technique des systèmes énergétiques, montre l’énorme potentiel. En particulier dans les régions riches en sources d’énergie renouvelables. De tels projets peuvent transformer non seulement l’Europe, mais aussi l’infrastructure énergétique mondiale et créer une situation gagnant-gagnant pour l’environnement et l’économie.
EnviroFALK s’est préparé à soutenir les projets PtX avec des installations d’eau ultrapure de pointe et à faire ainsi progresser la neutralité climatique.
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