Membranes pour l’électrolyse de l’eau de mer et la production d’hydrogène offshore

© Fraunhofer IFAM : Image microscopique d’une membrane échangeuse d’anions récemment développée et utilisée pour l’électrolyse d’eau de mer synthétique, avec des résultats prometteurs pour les applications en milieu salin.

La production industrielle d’hydrogène par électrolyse de l’eau nécessite un approvisionnement continu en eau déionisée de haute pureté afin d’éviter l’empoisonnement rapide des catalyseurs et la dégradation des cellules. Cette exigence impose des compromis opérationnels dans les régions confrontées au stress hydrique ou éloignées des infrastructures. Afin de supprimer la complexité logistique du dessalement de l’eau douce dans les environnements éoliens offshore et côtiers, l’Institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie éolienne IWES et l’Institut Fraunhofer pour les technologies de fabrication et les matériaux avancés IFAM ont coordonné le projet de recherche SeaEly. Celui-ci vise à développer des membranes spécialisées et des bancs d’essai électrochimiques normalisés pour l’électrolyse de l’eau de mer et de l’eau saumâtre non traitées.

Le défi de la pureté de l’eau dans la production offshore d’hydrogène
Le déploiement d’infrastructures d’hydrogène vert à proximité immédiate des parcs éoliens offshore permet de convertir l’énergie éolienne sur site en vecteurs énergétiques stockables, en produits chimiques de base, en ammoniac ou en carburants synthétiques. Toutefois, l’utilisation d’eau de mer brute dans des électrolyseurs conventionnels à membrane échangeuse de protons (PEM) ou alcalins entraîne des complications chimiques et électrochimiques importantes. L’eau de mer non traitée contient des mélanges complexes de minéraux dissous, de matières organiques en suspension et de fortes concentrations d’ions chlorure.

Sous l’effet d’un potentiel électrique appliqué, les ions chlorure entrent directement en concurrence avec la réaction de dégagement d’oxygène (OER) à l’anode, générant de l’hypochlorite corrosif et du chlore gazeux au lieu d’oxygène pur. Par ailleurs, les cations de calcium et de magnésium dissous migrent à travers la double couche électrique et précipitent sous forme de dépôts insolubles sur les surfaces catalytiques et les couches de diffusion des gaz. Ces phénomènes provoquent une défaillance rapide des cellules et un encrassement important des membranes.

Séparation par membranes électrochimiques et analyse de la dégradation
Lors de la décomposition électrochimique de l’eau en hydrogène et en oxygène gazeux, la membrane remplit deux fonctions essentielles de transport : elle conduit des ions spécifiques entre les compartiments anodique et cathodique afin de fermer le circuit électrique, tout en constituant une barrière physique imperméable qui maintient les gaz produits séparés. En présence d’eau de mer non traitée, la résistance structurelle et la sélectivité du transport ionique deviennent essentielles pour prévenir la contamination croisée et les courts-circuits internes.

Pour limiter les mécanismes de dégradation, Fraunhofer IFAM a développé des matériaux membranaires sur mesure, conçus pour fonctionner dans des électrolytes salins non traités. Leur évaluation s’effectue sur un banc d’essai électrochimique modulaire qui soumet les membranes candidates à des charges de fonctionnement dynamiques, à des variations de température et à des régimes d’écoulement cycliques.

L’analyse de la dégradation après les essais permet d’identifier précisément les mécanismes chimiques et physiques responsables de la détérioration des matériaux. Fraunhofer IFAM associe des mesures électrochimiques in situ à des techniques avancées de caractérisation des surfaces :

© Fraunhofer IWES : Banc d’essai pilote destiné à l’analyse de piles d’électrolyse utilisant différents électrolytes au sein de Fraunhofer IWES.

Une plateforme d’essais polyvalente et évolutive pour les électrolyseurs industriels
En complément des diagnostics à l’échelle des matériaux, Fraunhofer IWES a construit un banc d’essai polyvalent au Hydrogen Lab Leuna. Cette plateforme accueille différentes architectures de piles et permet de comparer directement les technologies à membrane échangeuse de protons (PEM), d’électrolyse alcaline de l’eau (AWE) et à membrane échangeuse d’anions (AEM), sous différents profils de salinité.

Cette méthodologie d’essais à plusieurs niveaux facilite le transfert de compositions membranaires éprouvées depuis les dispositifs de laboratoire à cellule unique vers des piles de plus grande taille comportant plusieurs cellules. Les ingénieurs peuvent ainsi évaluer les interactions entre composants, la dégradation des joints d’étanchéité et les phénomènes locaux de transport de matière dans des conditions d’écoulement représentatives des applications industrielles.

Consortium de recherche et disponibilité commerciale
L’initiative SeaEly s’est déroulée d’octobre 2022 à mars 2026 dans le cadre du concours d’idées « Hydrogen Republic of Germany » du gouvernement fédéral allemand. Elle a bénéficié du soutien financier du ministère fédéral allemand de la Recherche, de la Technologie et de l’Espace (BMFTR). Coordonné par Fraunhofer IWES, le consortium réunissait des spécialistes des matériaux, de la fabrication et de la logistique issus de Fraunhofer IFAM, de la Technische Universität Berlin, de Whitecell Eisenhuth GmbH & Co. KG et de l’Institut d’économie maritime et de logistique.

À l’issue de la phase initiale de développement, les plateformes d’essai communes restent opérationnelles au sein des deux instituts Fraunhofer. Ces infrastructures sont conçues pour fournir aux fabricants commerciaux d’électrolyseurs des services d’évaluation systématique du vieillissement, d’analyse de la corrosion et de qualification des composants destinés à l’électrolyse utilisant de l’eau non potable.

Informations techniques complémentaires
Cette section présente des spécifications techniques et des éléments de comparaison concurrentielle qui ne figuraient pas dans l’annonce initiale du produit.

Les systèmes d’électrolyse directe de l’eau de mer doivent contourner les protocoles classiques de purification de l’eau définis par la norme ASTM D1193 Type II, qui exige une résistivité électrique supérieure à 1,0 mégohm-centimètre et impose des limites strictes à la teneur en carbone organique total. L’eau de mer contient généralement environ 35 grammes par litre de matières dissoutes totales, dont près de 19 grammes par litre d’ions chlorure. Ces concentrations modifient considérablement la thermodynamique des cellules et la sélectivité des réactions.

Dans les installations commerciales de production d’hydrogène vert, la consommation d’eau se situe généralement entre 9 et 11 kilogrammes d’eau déionisée ultrapure par kilogramme d’hydrogène produit. Les systèmes conventionnels de dessalement par osmose inverse (OI) consomment entre 2,5 et 4,0 kilowattheures d’énergie électrique par mètre cube d’eau purifiée. Ils ajoutent ainsi de la complexité mécanique, des charges électriques auxiliaires et des contraintes d’encombrement aux structures des éoliennes offshore.

Les efforts d’ingénierie du secteur se concentrent largement sur les architectures à membrane échangeuse d’anions (AEM) et les membranes PEM modifiées. Les approches de référence actuelles utilisent généralement des revêtements catalytiques sélectifs, tels que l’oxyde de manganèse ou des barrières de passivation à base d’hydroxydes doubles lamellaires (HDL), afin de limiter la réaction de dégagement de chlore (CER) à un seuil de surtension inférieur à 1,36 volt par rapport à l’électrode standard à hydrogène (ESH). Les protocoles d’essai établis dans le cadre de SeaEly évaluent la durabilité des piles au regard des normes internationales de performance des électrolyseurs, notamment les exigences de la norme ISO 22734 relatives aux générateurs industriels d’hydrogène par électrolyse de l’eau.

Publié avec l’assistance de l’IA par Aishwarya Mambet, rédactrice pour Induportals.

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