Développement et optimisation d’un système de stockage d’énergie et de production d’hydrogène basé sur l’électrochimie et la chimie du zinc

Development and optimization of an energy storage and hydrogen production sytem based on electrochemistry and zinc chemistry

• Auteur / Autrice : François Guillet
• Direction : Jonathan Deseure
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 06/05/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Aurousseau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Pierre Gigandet, Florence Druart, Elisa Grindler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Mandin, Fabienne Espitalier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogène

Électrochimie

Zinc

Mots clés libres

Electrochimie

Zinc

Hydrogène

Zinc

Electrochemistry

Hydrogen

Résumé

L’hydrogène est un vecteur énergétique qui peut être un atout pour nous aider à décarboner nos usages énergétiques. L’électrolyse de l’eau est un des moyens de production d’hydrogène qui présente un bon compromis pour obtenir un gaz en grande quantité tout en limitant le coût et l’impact environnemental. La compression est une des voies de stockage de l’hydrogène mais les électrolyseurs sont limités technologiquement pour atteindre des pressions de stockage satisfaisantes. Une des solutions pour pallier ce problème est l’électrolyse découplée. Il s’agit de séparer la production d’hydrogène et d’oxygène en deux étapes grâce à un intermédiaire oxydant/réducteur. La société Ergosup a développé le procédé ZHYNCELEC, un exemple de cette technologie qui utilise le zinc comme intermédiaire. La première étape est l’électrodéposition du zinc, ce qui acidifie la solution et permet la formation d’oxygène. Cette étape est inspirée de l’électrolyse industrielle du zinc. La deuxième étape est la réaction entre le dépôt et l’électrolyte produisant l’hydrogène et provoquant la dissolution du zinc en solution. Le sujet de cette étude est l’optimisation du procédé ZHYNCELEC.Ce travail peut être découpé en trois axes d’étude. Le premier axe concerne la sélection des différents matériaux d’électrode, choisi suivant leur performance électrochimique mais également suivant leur durabilité. Le deuxième axe a pour objectif d’optimiser la composition de l’électrolyte. Les éléments clés sont la concentration du zinc, la concentration de l’acide et la présence d’éventuels d’additifs en solution. Le troisième axe concerne l’aspect procédé et s’articule sur des conditions opératoires telles que la température, la densité de courant, la pression maximale en hydrogène ainsi que la géométrie du réacteur. Ces trois axes ne peuvent être étudiés séparément de par les interactions entre les différents paramètres, ce qui oblige à des compromis suivant l’application du procédé voulu.

Hydrogen is an energy carrier and a potential asset for helping to lower carbon levels of energetic uses. Water electrolysis is a way of production and a good compromise to generate a large quantity of cheap and low-environmental-impact hydrogen. Compression is used to store hydrogen but electrolysers are technologically limited to reach high pressures. One solution to overcome this problem is decoupling electrolysis. It aims at separating the hydrogen and oxygen production in two steps through mediation oxydizer/reducer. Ergosup company has developed ZHYNCELEC process, using different technologies such as zinc as mediator. The first step is zinc electrodeposition which increases the acidity of solution and lead to an oxygen formation. This step is inspired by industrial zinc electro winning. The second step is the reaction between the metallic deposition and electrolyte producing hydrogen and making the dissolution of zinc. The purpose of this study is the optimisation of ZHYNCELEC process.This work can be divided in three axes of study. First, the selection of the different electrode materials. They are chosen by electrochemical performances and durability. Secondly, electrolyte composition optimization. The key factors are zinc concentration, acid concentration and the possibility of additives presences. The final axe concerns the processing aspect and the operative conditions like temperature, current density, maximal hydrogen pressure and reactor geometry. These three axes cannot be studied separately because of the interaction between the different parameters, which forces at compromising following the aim of the application of the process.