La soutenance de thèse de Léo FAYARD, intitulée » Étude d’un système d’électrolyse fractionnée basée sur l’électrochimie du zinc pour la production d’hydrogène « aura lieu le vendredi 21 juillet à 10h00 en salle des thèses (C002) du site ENSEEIHT.
Jury :
Mohamed MACHMOUM, professeur à l’IREENA de Nantes, Rapporteur
Jonathan DESEURE, ingénieur Grenoble INP, Rapporteur
Catherine AZZARO-PANTEL , professeure à l’ENSIACET Toulouse, Examinatrice
Vincent BIZOUARD, ingénieur ITHERM, Examinateur
Christophe TURPIN, Directeur de recherche CNRS – Laplace, Directeur de thèse
Henri SCHNEIDER, MCF INP- Laplace, Co-directeur de thèse
Résumé :
Ergosup a élaboré un processus unique d’électrolyse fractionnée basé sur l’électrochimie du zinc, qui fonctionne en deux étapes distinctes et séparées. La première est une électrodéposition de zinc qui permet de stocker l’énergie électrique sous une forme chimique, produisant de l’oxygène à l’anode. La seconde, lors du déclenchement de la dissolution du zinc dans la solution, génère de l’hydrogène qui augmente en pression sans nécessité de compresseur.
La thèse a pour but de caractériser le procédé d’électrolyse fractionnée en vue d’étudier le couplage électrolyseur/EnR. L’introduction générale rappelle le contexte de la transition énergétique et de la lutte contre le changement climatique. Le premier chapitre décrit le procédé batch développé par Ergosup, qui découple la production d’oxygène et d’hydrogène gazeux via le zinc et facilite ainsi la production d’hydrogène sous haute pression. Ce chapitre illustre le principe de l’électrolyse fractionnée en le comparant aux méthodes d’électrolyse traditionnelles plus matures. Il se conclut en résumant les conditions opératoires industrielles de l’électrolyse du zinc et des processus d’hydrométallurgie.
La suite se concentre sur la caractérisation expérimentale du procédé ZhyncElec d’électrodéposition de zinc non stationnaire. Deux types de cellules, MMO|Zr et Pt|Zr, ont été étudiés via des protocoles spécifiques de courbes de polarisation et de Spectroscopie d’Impédance Electrochimique (SIE). L’analyse a révélé des variations comportementales majeures au cours du processus. La diversité de signatures sur le plan de Nyquist apporte une aide à la compréhension des phénomènes majeurs observés lors de l’électrolyse du zinc (transfert de charge, adsorption, diffusion).
Le troisième chapitre se concentre sur modélisation électrochimique de l’impédance des cellules en s’appuyant sur des principes de cinétique électrochimique et des modèles de circuit équivalent. Des hypothèses sont formulées pour la modélisation de l’impédance électrochimique et sont ensuite testées à travers des simulations pour les cellules. Des résultats concluants sont obtenus pour la cellule MMO|Zr, alors que la cellule Pt|Zr présente encore des défis en raison de l’entrelacement des phénomènes capacitifs et inductifs.
Le quatrième chapitre est consacré à l’étude de la caractéristique U(I) de l’étape d’électrolyse de zinc, en particulier pour la cellule Pt|Zr dans le but de préparer l’étude systémique du procédé couplé à des panneaux photovoltaïques. La modélisation permet de reproduire les courbes expérimentales. Malgré certaines disparités avec la littérature, le modèle donne des résultats cohérents et permet d’étudier l’intégration de l’électrolyseur dans un système. La variabilité de certains paramètres rappelle qu’il s’agit d’un processus complexe affecté par plusieurs facteurs.
Le cinquième chapitre se concentre sur la présentation du couplage direct de l’électrolyseur avec une source photovoltaïque, éliminant ainsi le besoin de se connecter au réseau. Le but est de minimiser le coût de l’hydrogène (LCOH) et le bilan carbone (BCN) grâce à des algorithmes génétiques. Pour y parvenir, des modèles comportementaux classiques sont élaborés pour chaque composant du système. Ces modèles sont ensuite combinés pour déterminer le point de fonctionnement du système. Le dernier chapitre aborde l’évaluation du LCOH et du BCN du système, en comparaison avec un système de production d’hydrogène traditionnel. En s’appuyant sur la littérature, il est identifié les coûts fixes et variables clés, comme le CAPEX, la maintenance, le remplacement et la valeur résiduelle. Cela permet également d’analyser les solutions concurrentes, établissant un seuil de compétitivité économique (10€ par kg d’H2) et carbone (3 kgCO2eq par kg d’H2). Les résultats de l’optimisation du dimensionnement du système montrent que le seuil de compétitivité LCOH prédéfini est largement dépassé et que le résultat minimal du BCN est presque le double.
