La simulation multiphysique, un atout pour relever les défis de la filière hydrogène

Publié le par Pour la science via M.E.

L’hydrogène pourrait être une des réponses pour réduire, entres autres, les émissions de gaz à effet de serre et notre dépendance aux énergies fossiles. Dans ce contexte, la simulation est un outil précieux pour relever les défis technologiques dans un temps limité.

Simulation détaillée réalisée avec COMSOL Multiphysics® révélant l’électrochimie, l’écoulement des fluides et le transfert de chaleur dans une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) : les concepteurs peuvent alors optimiser le dispositif pour, par exemple, augmenter ses performances et sa durabilité.

A l’horizon 2050, l’hydrogène bas-carbone pourrait représenter 20 à 25% de la consommation totale d’énergie de l’Union Européenne. L’hydrogène est considéré aujourd’hui comme le produit pour le stockage de l’énergie et une des clés pour atteindre les objectifs de la transition énergétique. C’est en effet un vecteur entre une production et une utilisation.

Ainsi, les piles à combustible des moteurs à hydrogène génèrent de l’électricité à partir de l’hydrogène transporté, tandis qu’inversement, les électrolyseurs fabriquent de l’hydrogène à partir de l’électricité du réseau. Tout dépend donc de la source de cette électricité pour que l’hydrogène soit considéré comme « bas-carbone » et joue son rôle de décarbonation.

On assiste ainsi aujourd’hui à une effervescence dans la filière hydrogène, des laboratoires de recherche aux centres de R & D des grands groupes en passant par de nombreuses start-ups, l’ensemble étant porté par des investissements massifs, comme les 7 milliards d’euros du plan Hydrogène vert initié par la France.

Au cœur d’une pile à combustible

Prenons l’exemple des piles à combustible et électrolyseurs. Plusieurs gaz coexistent, l’hydrogène, certes, mais aussi de l’air, de l’oxygène… dont il faut pouvoir gérer les flux dans le dispositif. De l’eau se forme et lorsqu’elle est trop abondante ou au contraire insuffisante, elle nuit à la circulation des gaz, diminuant le rendement. On cherche donc à obtenir un équilibre, un régime intermédiaire difficile à deviner. À cela s’ajoute le comportement des matériaux poreux qui constituent les électrodes, l’ensemble des réactions chimiques et électrochimiques mises en œuvre, celles désirées, celles qui ne le sont pas, la gestion des matériaux, ainsi que la chaleur dégagée. C’est là que la simulation intervient, avec en particulier un logiciel comme COMSOL Multiphysics® qui modélise et simule l’ensemble des phénomènes présents.

Elle a notamment montré son intérêt dans l’optimisation d’une pile à combustible dite à membrane échangeuse de protons (voir l’illustration). La gestion de l’eau et celle de la chaleur sont deux paramètres centraux pour son fonctionnement et sa durabilité : de grandes variations de quantité d’eau liquide et de température dans la pile peuvent accélérer son vieillissement et même conduire à la dégradation irréversible de certains composants. Or ce type de pile équipe la plupart des véhicules électriques à hydrogène, il ne s’agit donc rien de moins que d’augmenter l’autonomie et la durée de vie de ces moyens de transport !

A côté des fabricants de piles à combustibles et d’électrolyseurs, de nombreuses entreprises se lancent aussi dans la conception d’éléments annexes et néanmoins essentiels, comme des capteurs de gaz, de pression, des systèmes de stockage ou de sécurité, etc… Pour tous, il s’agit parfois d’adapter des technologies existantes, mais pour un usage ou un public différent, parfois d’innover et de rechercher les meilleures performances possibles. C’est ainsi que la simulation contribue en tant qu’outil majeur de cette évolution.

Une aide sur tous les fronts

Comment la simulation aide-t-elle concepteurs et fabricants ? D’abord, et avant tout elle permet d’optimiser de façon rationnelle le projet grâce à une connaissance fine du fonctionnement du système. Sur le modèle, le concepteur peut en effet modifier le design de l’ensemble, la forme et la disposition des canaux qu’empruntent les gaz, l’agencement des électrodes… pour, finalement, améliorer les performances du dispositif étudié.

Plus loin dans l’avancement d’un projet, la simulation est utile pour envisager un changement d’échelle, passer du prototype au démonstrateur puis à l’industrialisation.

  • Par exemple, comment le système fonctionnera après 1 000 000 de cycles ?
  • Comment sécuriser les installations ?
  • Peut-on gagner en efficacité lorsqu’on est au stade de la production de masse ?
  • Peut-on économiser la quantité de catalyseur, typiquement le coûteux platine, sans diminuer la puissance de fonctionnement ?

Pour en savoir plus : https://www.comsol.com/events/comsol-days/comsol-day-hydrogen-technologies-104411

Le changement climatique a accru le besoin de nouvelles technologies qui produisent de l'énergie électrique. L'hydrogène est considéré comme le produit chimique idéal pour le stockage de l'énergie. Dans le processus de stockage, les électrolyseurs et les piles à combustible stockent la production d'électricité de pointe et utilisent la production hors pointe pour acheminer l'électricité éolienne et solaire vers le réseau. Avec le logiciel COMSOL Multiphysics®, vous pouvez configurer des modèles haute fidélité basés sur la physique de piles à combustible et d'électrolyseurs, et prendre en compte le transport de matière, le transport de charge, le transfert de chaleur, l'écoulement multiphase et les réactions électrochimiques dans vos simulations.

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Source : https://www.pourlascience.fr/sr/article-partenaire/la-simulation-multiphysique-un-atout-pour-relever-les-defis-de-la-filiere-hydrogene-24239.php