L’hydrogène s’installe progressivement et se met au premier plan des alternatives aux énergies fossiles comme ressource propre, inépuisable et polyvalente. La stratégie qui permet l’émergence d’une industrie de l’hydrogène découle d’une volonté de préserver l’environnement, comme premier argument, grâce à la substitution des combustibles hydrocarbures émettant du CO2 par des combustibles n’émettant que de l’eau. Car en effet, l’hydrogène produit de l’eau et est produit à partir de l’eau. Ce cycle de vie de l’hydrogène est basé sur la réaction chimique, non spontanée et irréversible : H2O = H2 +1/2O2. Les données thermodynamiques de cette transformation chimique montrent clairement que la dissociation de l’eau est endothermique tandis que sa formation est exothermique (delta H = -285kJ), d’autre part, l’enthalpie libre (delta G) prend une valeur positive, indiquant de ce fait que la réaction ne peut pas se produire spontanément. La connaissance de la relation entre cette enthalpie libre et la différence de potentiel des couples redox intervenant dans la réaction (delta G = -nF. delta E) montre sans équivoque qu’une intervention d’une force électrochimique est la seule capable, dans ces conditions, à inverser les données et à provoquer la décomposition de l’eau.

Ceci s’appelle l’électrolyse de l’eau :

Dans des conditions favorables (milieu, température, ddp, …etc), l’eau subit une double réaction de réduction et d’oxydation pour fournir de l’hydrogène et de l’oxygène respectivement au niveau de la cathode et de l’anode. Ces deux plaques métalliques constituent les électrodes, éléments nécessaires dans un électrolyseur. Par ailleurs, et suivant la technologie choisie, la nature des électrodes, du séparateur entre électrodes et la qualité de l’eau ainsi que sa contenance sont les préludes annonçant la pureté, le rendement et le débit des substances obtenues.

Globalement, il existe 03 technologies de l’électrolyse de l’eau avec plusieurs variantes :

• Electrolyse alcaline
• Electrolyse polymère à échange de protons (à membrane)
• Electrolyse des oxydes solides à haute température

La différence technique entre ces 03 technologies réside dans une grande mesure dans le milieu initiateur de la transformation : OH- (soude ou potasse) pour l’électrolyse alcaline, H+ (proton) pour l’électrolyse polymère et enfin O2- pour l’électrolyse des solides à haute température. La gestion des pressions, des flux et des phases doit obéir à des critères dynamiques et thermiques pouvant être contrôlés aux cours des opérations d’électrolyse.

L’électrolyse alcaline est l’une des plus anciennes techniques, sa mise en œuvre est plus simple et son coût est le plus bas. Les électrolyseurs de ce type permettent la production de plusieurs centaines de m3 par heure et

• les énergies équivalentes s’estiment en mégawatt. Les électrodes sont alternées dans l’électrolyseur et sont toutes directement connectés aux bornes de l’alimentation continue : les anodes aux borne positive et les cathodes à la borne négative. Tandis que dans un système bipolaire, seules les électrodes des extrémités sont connectées. Des solutions concentrées (25 – 30%) d’hydroxyde de potassium sont généralement utilisées comme solution électrolytique car elles ont des conductivités très élevées et présentent moins de problèmes de corrosion par rapport aux autres électrolytes alcalins.
• L’électrolyse à polymère se généralise de plus en plus, son coût décroit mais reste plus élevé que celui de l’électrolyse alcaline. La membrane polymérique présente une bonne conductivité ionique favorisant le transport du proton et une faible perméabilité aux gaz H2 et O2 engendrant leur extraction sous pression séparément dans leurs compartiments. Cette technologie présente l’avantage de fournir une densité de courant élevée et une réponse rapide, ces systèmes sont très compacts. L’échelle de production est plus réduite et les énergies sont de l’ordre des centaines de kilowatt.
• L’électrolyse des oxydes solides ne s’est pas encore généralisée au niveau industriel mais les travaux de recherches continuent de proposer des électrolyseurs de ce type de plus en plus performants. L’eau est portée à une température de 200°C pour alimenter la vapeur dans la cathode. La cellule d’électrolyse fonctionne à une température de 800–1000°C, ce qui assure la conduction de l’électrolyte solide. La vapeur d’eau se décompose en hydrogène gaz et ions oxygène (O2-). Les ions oxygène sont transportés à travers le solide céramique électrolyte à l’anode, où ils sont oxydés pour former de l’oxygène gazeux.
  

Plusieurs innovations majeures ont considérablement augmenté l’efficacité énergétique et faradique des électrolyseurs. Le concept de cellules zéro-gap a été développé afin de réduire les inconvénients de l’écoulement électro-osmotique. Il repose sur la réduction de la distance interpolaire et donc de rejeter la production de gaz à l’arrière de l’espace interpolaire.

Des rendements meilleurs sont obtenus lorsque l’eau d’entrée répond à des critères de pureté lui permettant de limiter les transformations interférentes. La purification de l’eau peut être réalisée selon son origine soit par adoucissement, soit par traitement membranaire. Ce dernier, en fonction des contaminants présents dans l’eau, est constitué des technologies barométriques telles que l’ultrafiltration, la nanofiltration ou l’osmose inverse.

Quant à la disponibilité de la ressource hydrique, plusieurs scénarios sont à considérer. Le choix est tributaire de l’emplacement de l’usine et des besoins vitaux et prioritaires. L’idéal est de se pencher sur la réutilisation des eaux usées épurées, qui souvent sous exploités, malgré le grand potentiel quantitatif déversé dans la nature.
Dans les électrolyseurs, il y a du métal, du plastique et autres constituants. Un grand nombre de composants peuvent être produits localement utilisant des matières premières qui peuvent être extraites et transformées localement. La généralisation de l’option énergétique issue de l’électrolyse de l’eau va certainement avoir des retombées très positives sur toute la chaine de valeur impliquée dans le process.
De plus, l’hydrogène n’est pas uniquement destiné aux besoins énergétiques, il est utilisé comme intrant dans de nombreuses industries telles que celles de la production de l’ammoniaque ou du méthanol ou bien dans le process de fabrication du verre et de l’acier