Étude de l’amélioration de la production d’hydrogène par le procédé d’électrolyse de l’eau alcaline : simulation avec mécanique des fluides numérique et optimisation génétique

Study of the improvement of hydrogen production by the alkaline water electrolysis process : simulation with computational fluid mechanics and genetic optimization

• Auteur / Autrice : Damien Le Bideau
• Direction : Philippe Mandin, Mohamed Benbouzid
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 29/01/2021
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme - Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL
• Jury : Président / Présidente : François Lapicque
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Roustan, Virginie Boy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jonathan Deseure, Pierre Millet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation mathématique

Eau -- Électrolyse

Modèles mathématiques

Génération d'hydrogène

Mots clés libres

Optimisation génétique

Water electrolysis

Genetic opyimisation

Résumé

L’hydrogène est vu comme un moyen de stockage de l’énergie électrique renouvelable et un carburant propre prometteur. Cependant, 95% de l’hydrogène est produit en utilisant des hydrocarbures fossiles. Pour obtenir un hydrogène décarboné, il sera nécessaire de le produire par électrolyse de l’eau, seul procédé actuel à pouvoir le produire en quantité industrielle. L’électrolyse de l’eau est un procédé diphasique énergivore dont environ 10% du coût énergétique réside dans une perte ohmique amplifiée par la présence de gaz (hydrogène et oxygène). Il est possible de réduire ces pertes ohmiques en réduisant la distance inter- électrode. Cependant, du fait de la présence des bulles, il existe une distance optimale inter- électrodes qui dépend des conditions d’opérations (pression, température, fraction massique d’électrolyte, etc.). Afin de réduire le coût opérationnel de l’hydrogène et ainsi permettre son développement sociétal, le procédé a été modélisé numériquement en utilisant la méthode des volumes finis. Les calculs de mécanique des fluides numériques menés aboutissent à une corrélation liant le taux de gaz avec les paramètres d’entrée du procédé rendus adimensionnels. Cette corrélation a ensuite été intégrée dans un algorithme génétique, développé et optimisé. Le but concret de ce travail est de trouver un compromis entre la rentabilité de l’investissement financier (CAPEX) et la performance opérationnelle financière (OPEX). Le design préconisé est une hauteur de 5cm avec une distance inter-électrode entre 400 et 800 µm pour des densités de courant entre 1000 et 4000 A m-2.

Hydrogen is seen as a means of storing renewable electrical energy and a promising clean fuel.However, 95% of hydrogen is produced using fossil hydrocarbons. To obtain a decarbonated hydrogen, it will be necessary to produce it by electrolysis of water, the only current process that can produce it in industrial quantities. Water electrolysis is an energy-intensive two-phase process in which about 10% of the energy cost is due to an ohmic loss amplified by the presence of gas (hydrogen and oxygen). It is possible to reduce these ohmic losses by reducing the inter-electrode distance. However, due to the presence of bubbles, there is an optimal inter-electrode distance which depends on the operating conditions (pressure, temperature, mass fraction of electrolyte etc.). In order to reduce the operating cost of hydrogen and thus enable its societal development, the process was numerically modeled using the finite volume method. The computational fluid mechanics calculations carried out lead to a correlation linking the gas fraction with the input parameters of the process rendered dimensionless. This correlation was then integrated into a genetic algorithm, developed and optimized. The final concrete goal of this work is to find a compromise between the profitability of the financial investment (CAPEX) and the financial operational performance (OPEX). The recommended design is a height of 5 cm with an inter-electrode distance between 400 and 800 µm forcurrent density between 1000 and 4000 A m-2.