Les réfractomètres Vaisala permettent de développer des électrolyseurs avancés à l'« hydrogène vert »
La génération d'hydrogène vert par électrolyse de l'eau constitue une opportunité passionnante de décarbonation. Cependant, les caractéristiques et la stabilité des composants de l'électrolyseur influencent fortement les performances des électrolyseurs. Un groupe d'ingénieurs allemands développe donc un banc d'essai pour l'électrolyse alcaline.
La réussite de ce projet dépend de la capacité à surveiller les électrolytes avec précision et fiabilité dans une solution extrêmement agressive. Après avoir cherché des technologies adaptées dans le monde entier, les chercheurs ont découvert que les réfractomètres en ligne de Vaisala pouvaient répondre à leurs exigences strictes.
Les partenaires du projet sont le prestataire de services d'ingénierie iChemAnalytics GmbH, le spécialiste de la technologie de galvanoplastie Dr.-Ing. Max Schlötter GmbH & Co. KG, ainsi que l'expert en revêtements WHW Hillebrand.
Contexte
L'hydrogène constitue une opportunité passionnante à l'heure où le monde cherche à décarboner son infrastructure énergétique pour atteindre la neutralité carbone. Cela s'explique par le fait que l'hydrogène possède une forte valeur calorifique et que ses produits de combustion ne contiennent aucun gaz à effet de serre considérés comme les principaux contributeurs au réchauffement climatique. Cependant, l'hydrogène est actuellement produit essentiellement par des procédés qui consomment beaucoup de combustibles fossiles, ce qui génère de l'« hydrogène gris », responsable d'environ 2 % des émissions mondiales de carbone.
Lorsque l'hydrogène est généré par l'électrolyse de l'eau, alimenté par des énergies renouvelables, l'« hydrogène vert » qui en résulte offre une opportunité significative de décarbonation, ce qui suscite un fort intérêt pour des électrolyseurs efficaces et durables.
Les électrolyseurs à hydrogène alcalin utilisent un courant électrique pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène, en utilisant une solution alcaline liquide telle que l'hydroxyde de potassium (KOH) comme électrolyte. En général, la solution contient 15 à 30 % de KOH, ce qui est très agressif. L'
électrolyte est contenu entre deux électrodes, généralement à base de nickel, séparées par une membrane ou un diaphragme poreux. Le gaz d'hydrogène est produit à la cathode, et le gaz d'oxygène, à l'anode. Le diaphragme sépare les gaz et transporte les ions hydroxydes de la cathode vers l'anode pour compléter le circuit.
Objectifs du projet
Les travaux ont débuté en 2023 avec un objectif d'achèvement à la mi-2026. Les objectifs principaux étaient :
1. Créer un banc d'essai opérationnel et entièrement automatisé pour les piles d'électrolyseurs.
2. Développer un nouveau revêtement d'électrode stable pendant plus de 80 000 heures.
3. Évaluer les revêtements prototypes dans diverses conditions de fonctionnement
Pourquoi mesurer la concentration de l'électrolyte ?
Chaque côté de la membrane de l'électrolyseur d'essai contient une solution de KOH à 30 % : un liquide alcalin hautement concentré, puissant et corrosif, composé de 30 % d'hydroxyde de potassium et de 70 % d'eau par poids. Au cours de l'électrolyse, le rapport de KOH en % de part et d'autre de la membrane évolue. C'est important pour plusieurs raisons. La durée de vie des composants et les réactions aux interfaces au sein des cellules se détériorent, ce qui a également une influence directe sur la tension des cellules, les effets du vieillissement et l'efficacité des réactions.
Technologie de mesure de l'électrolyte
L'équipe du projet a cherché aux quatre coins du monde une technologie capable de fonctionner dans un environnement aussi difficile, tout en fournissant des mesures de KOH précises et fiables. La capacité de fonctionner dans une solution de KOH à 30 % à des températures allant jusqu'à 80 °C et
à des pressions atteignant 5 bar (montage en ligne) a éliminé la plupart des options, ne laissant que l'analyse manuelle en laboratoire ou un petit nombre de technologies basées sur la réfractométrie ou les ultrasons.
Expliquant la décision d'utiliser les réfractomètres en ligne de Vaisala, Kristian Macke, COO chez iChemAnalytics, a déclaré : « L'analyse en laboratoire a été exclue d'emblée en raison du temps nécessaire pour obtenir les résultats, ce qui aurait rendu impossible le contrôle du processus et, par conséquent, l'efficacité. » L'équipe du projet a donc évalué les solutions de mesure en continu. « Nous avons été particulièrement impressionnés par le soutien du distributeur de Vaisala, Bühler Technologies », a indiqué Kristian Macke. « Ils ont mis à notre disposition un réfractomètre Vaisala pendant une brève période afin que nous puissions réaliser un essai rapide en laboratoire. Ils ont fourni des fichiers CAD pour aider à intégrer l'appareil Vaisala dans notre banc d'essai et ont confirmé par écrit que le réfractomètre résiste au KOH en permanence. »
Deux réfractomètres en ligne Vaisala PR53AC ont été installés sur le banc d'essai, assurant une mesure en temps réel de la concentration de KOH de part et d'autre de la membrane. Kristian déclare :
« C'était un investissement important pour nous, mais nous avons été absolument ravis des performances des sondes Vaisala. Nous les avons reçues calibrées en usine et elles étaient presque plug-and-play. Il ne nous restait plus qu'à intégrer leur sortie 4-20 mA à notre automate programmable. »
Les réfractomètres Vaisala mesurent l'angle de réfraction de la lumière dans le milieu de procédé, à l'aide d'une source lumineuse à LED. Un capteur détecte en continu l'angle critique à partir duquel la réflexion totale de la lumière commence, et cela a une relation directe avec la concentration de KOH. La réfractométrie Vaisala est largement utilisée dans des procédés industriels exigeants — des produits chimiques et de la pâte et du papier à l'alimentaire et aux produits pharmaceutiques — où l'exactitude, la résistance chimique et la disponibilité sont essentielles.
Outre leur capacité à fonctionner dans des conditions difficiles, l'un des principaux avantages des réfractomètres Vaisala est qu'ils ne sont pas affectés par les particules en suspension, les bulles ou la couleur, et grâce à l'option de lavage automatique du prisme à la vapeur ou à l'eau chaude sous haute pression, ils ne sont pas affectés par l'entartrage ou l'encrassage.
Avancement du projet
Le développement d'un banc d'essai fiable a permis à l'équipe de projet de se concentrer sur les objectifs principaux. Différents revêtements d'électrodes et solutions d'électrolyte font l'objet de tests accélérés de contrainte à diverses températures, et Kristian déclare : « Les résultats d'un essai de 4 semaines ont récemment été publiés lors d'une conférence à Berlin (ZVO Oberflächentage 2025), où nous avons présenté des données de performance exceptionnelles pour un nouveau revêtement. »
Et demain ?
À mesure que des revêtements plus durables sont développés, le nouveau banc d'essai entièrement automatisé permettra à l'équipe d'optimiser les équipements, les matériaux et les conditions d'électrolyse dans le but d'améliorer l'efficacité des procédés.
« La mesure de la concentration de KOH à l'aide des réfractomètres Vaisala joue un rôle essentiel dans le banc d'essai », explique Kristian. « De toute évidence, l'objectif ultime est de développer de nouveaux empilements d'électrolyseurs haute performance avec des revêtements de surface haute performance, et la capacité à surveiller et à contrôler automatiquement la concentration de KOH sera indispensable pour optimiser les composants des électrolyseurs et leur rendement. »
Ce projet démontre comment les technologies avancées de mesure soutiennent l'innovation dans les énergies propres et accélèrent la transition vers des solutions à faible émission de carbone.
Découvrez-en plus sur la surveillance chimique en temps réel dans la production d'hydrogène vert dans ce webinaire sous forme d'interview d'experts.