2.7
Discussion des résultats expérimentaux et conclusion
L’objectif de ce chapitre était de conclure à propos de trois problématiques concernant la réponse de la cellule d’une surface active connue lorsque le débit à l’électrode à H2 et lesconditions opératoires varient, pour le fonctionnement en mode électrolyse et pile à combus- tible, la dégradation observée pour un fonctionnement en mode électrolyse seule et l’influence de l’alternance du mode de fonctionnement entre électrolyse et pile à combustible sur cette dégradation.
Pour répondre à ces questionnements, après une présentation du banc, des techniques de caractérisation à disposition et des protocoles expérimentaux mis en place, nous avons présenté les différents essais mis en œuvre. Grâce aux données obtenues par l’établissement des courbes de polarisation à chaque début d’essai, des lois de comportement de Reqà tension
opératoire fixée en fonction du débit alimentant l’électrode à H2, pour chacun des modes EV
et PC ont été proposées. Ces lois seront utilisées pour la simulation de l’électrolyseur et de la pile à combustible par la suite.
Les principales caractéristiques expérimentales pour les étapes de durabilité sont une température de 973 K ou 1073 K, un taux de conversion de la vapeur à la tension thermo- neutre de 45 % ou 75 % et l’alternance de fonctionnement entre les modes EV et PC ou un fonctionnement en mode EV seul. La conduite des essais de durabilité a été menée de façon originale avec une tension et un taux de conversion ou d’utilisation imposés, au moyen d’un module de pilotage spécifiquement développé dans l’automate pour cette application. Nous avons vu que les performances initiales, décrites par de fortes valeurs de j variaient très rapidement pendant un régime dit d’établissement dont la durée est de l’ordre de quelques centaines d’heures. Une fois ce régime terminé, les valeurs de j sont plus petites et semblent davantage se maintenir dans le temps. Ce phénomène d’établissement est incompris à ce jour. On peut remarquer que le niveau de densité de courant initial a une influence, pour la stratégie de pilotage retenue, sur la vitesse de dégradation comme cela a été observé lors des deux essais en mode EV à 973 K. Qualitativement, l’analyse SIE montre que la forte dégradation de j est liée à une augmentation des résistances de contact et de polarisation et que la diminution du débit due au mode de pilotage choisi implique, à fort SC, des difficultés d’approvisionnement en gaz des zones réactives.
Les signaux de j(t) obtenus pour les différents essais ont été mathématiquement traités afin de proposer des lois d’extrapolation avec une formulation adaptée pour chaque type de signal. L’étude des lois extrapolées à des temps plus longs indique, à nouveau et avec toute la réserve liée à l’extrapolation, qu’une fois le régime d’établissement terminé, les performances sont dans un intervalle de densité de courant aux valeurs plus classiques et dont la dégradation est nettement ralentie. L’effet du taux de conversion de la vapeur sur la valeur de j et sa dégradation n’est pas significatif et l’influence de la température n’est pas sensiblement observée, toutes choses étant égales par ailleurs. Les dégradations de la densité de courant dans le régime qualifié d’établi en mode EV seul sont évaluées à environ 9 %/kh, l’influence de l’alternance des modes étant visible pour les deux conditions observées : SC = 75 % à 1073 K et SC = 45 % à 973 K.
Les modèles de Req établis pour les modes EV et PC sont utilisés tels quels dans les
chapitres 3 et 4. Les différentes zones de fonctionnement identifiées seront considérées pour déterminer la durée de vie des empilements de cellules, cela conduisant à l’établissement de différents scénarios pour réaliser l’analyse économique d’un procédé Power-to-SNG, et d’un procédé réversible, tous deux incluant des empilements de cellules électrochimiques.
Finalement, comme illustration du compromis entre performance et durée de vie, corres- pondant technique du compromis économique entre investissement de l’installation indus- trielle et son coût d’exploitation, la représentation de la figure 2.19 est proposée. Elle expose la variation de ∂j/∂t en fonction de j(t) déterminées à partir des formulations mathéma- tiques. Les performances initiales sont décrites par une forte densité de courant, inversement proportionnelle à l’investissement pour un volume de production d’hydrogène fixe, et par une forte dégradation, la valeur absolue de ses deux paramètres diminuant avec l’augmentation du temps de fonctionnement. La zone idéale de fonctionnement correspond à une production d’hydrogène par unité de surface très forte, ce qui permet de minimiser la surface requise pour une production donnée et donc l’investissement du réacteur d’électrolyse, couplée à une dégradation des performances la plus faible possible, afin de maintenir la production le plus longtemps possible.
Figure 2.19 – Évolution de j et ∂j/∂t, illustrant l’évolution entre investissement et coût d’exploitation d’une installation.
3.
Procédé Power-to-SNG par
électrolyse de la vapeur d’eau
3.1
Objectifs du procédé et de la simulation
Le but de ce chapitre est de proposer un procédé efficient dont la principale ressource énergétique est électrique et qui permet de produire un gaz injectable sur le réseau de gaz naturel. Les spécifications concernant la composition, le PCS et l’indice de Wobbe W à respecter pour l’injection sur le réseau ont été indiquées dans le chapitre 1. La pression d’injection dépend du type de réseau. Le réseau de distribution est à 4 bar et le réseau de transport a une pression comprise entre 16 et 80 bar. Nous avons également vu à travers la revue bibliographique qu’un procédé Power-to-SNG requiert un électrolyseur, une unité de production de méthane et, du fait des fortes spécifications sur la qualité du gaz, une unité de purification.
Quant à la simulation de ce procédé, ses objectifs sont variés. Elle doit pouvoir nous renseigner sur les performances d’un procédé dit de référence et permettre une évaluation du coût énergétique de production de l’installation. On s’attachera à calculer l’efficacité énergétique et déterminer l’origine des pertes au sein du procédé ainsi qu’à dimensionner dans une première approche les grands composants du procédé. À partir de ce procédé de référence, une analyse de sensibilité en trois parties sera menée. Les deux premières parties concerneront l’influence de la variation des points de fonctionnement des unités d’électrolyse et de production de méthane. Dans la dernière partie, l’influence des différentes contraintes liées au périmètre du procédé sera qualifiée.