H2Cycle - Recyclage d’eau par la chaleur fatale pour produire de l’hydrogène vert

La production d’hydrogène vert par électrolyse contribue à la décarbonation de l’industrie. Les technologies d’électrolyse ont besoin d’une quantité importante d’eau ultra-pure (9 kg d’eau pour 1 kg d’hydrogène) produite par une cascade d’osmose inverse et traitements chimiques consommant de l’électricité et ayant des coûts d’investissement, de fonctionnement et de maintenance élevés. L’électrolyse génère une grande quantité de chaleur fatale (~40% de l’électricité entrante) à une température faible (<70°C) et peu valorisée dans un cadre industriel. L’intégration d’Aquahive, une technologie de distillation membranaire, dans une usine d’électrolyse permet la synergie entre chaleur fatale et eau. Elle permet ainsi valoriser la chaleur fatale jusqu’à présent inutilisée et produire d’eau ultra-pure, à partir d’eau chargée, tout en utilisant 1/5 de l’électricité consommée par l’osmose inverse -une démarche de circularité industrielle. 

H2Cycle vise à démontrer la faisabilité de la technologie de distillation membranaire AQUAHIVE développée par STEM. Cette technologie permet le double recyclage de l’eau de rejet et son traitement en utilisant la chaleur fatale pour l’alimentation en eau ultra pure d’électrolyseurs produisant de l’hydrogène vert. La totalité de la production de l’usine sera produite avec des émissions de CO2 minimales, aussi bien au niveau de la réaction chimique qu’au niveau de la production d’électricité. Cette technologie se distingue de l’Osmose inverse par sa très faible sensibilité à la qualité de l’eau entrante, ce qui ouvre la voie à l’utilisation éventuelle d’eau de rejet chargée. Le coût énergétique de traitement de l’eau pour l’électrolyse sera divisé par 5 ce qui réduira d'autant le coût de production de l’hydrogène vert et d’accélérer la convergence de prix avec l’hydrogène gris. La possibilité de recyclage d’eau ultra-chargée est un atout également compte tenu la future pression sur l’eau venant de l’hydrogène mais aussi de la réindustrialisation. Ainsi, la double circularité de l’eau et de la chaleur est l’objectif de ce projet. 

Le projet H2Cycle est structuré en 2 phases :

1. Une phase de validation et de caractérisation en laboratoire au CEEP Mines Paris PSL/Armines du système

AQUAHIVE et de sa capacité à purifier de l'eau de rejet industriel pour l’utiliser dans l'électrolyse.

    2. Une phase de démonstration sur un site à Dunkerque à une échelle pré industrielle.

CEEP Mines Paris PSL a testé le prototype de laboratoire vis-à-vis des conditions opératoires déterminées par H2V et a caractérisé la qualité de l'eau distillée obtenue. Les résultats ont permis à STEM d'ajuster le modèle de dimensionnement et de valider sa performance. En s’appuyant sur le retour d’expérience, la montée d’échelle pour construire une unité pouvant produire 0.5 m3/h d’eau distillée est conçue par STEM. Le skid a été construit au CES Mines Paris PSL et sera transporté à Dunkerque pour intégration et caractérisation sur site. Le démarrage de la construction de l'usine de H2V à Dunkerque subit un retard jusqu'à l'automne 2024, avec un objectif de livraison de l'hydrogène au début de 2027. Il était ainsi nécessaire pour STEM et pour la continuité du projet de trouver un nouveau site qui accueille le démonstrateur AQUAHIVE afin de poursuivre les tests et la validation sur site. Par conséquent, STEM a identifié RYSSEN Alcools, un site industriel à Dunkerque qui distille de l’éthanol sous différentes formes à partir d’alcool brut pour mettre en place un pilote AQUAHIVE pendant l’année 2024 et le tester pendant plusieurs mois. STEM testera son prototype premièrement dans les conditions opératoires de Ryssen (source chaude à 90°C) et ensuite dans les conditions de H2V (à 60°C).

Les tests chez Ryssen démontreront la double circularité visée par le projet. En effet, les flégmasses issues de la colonne de distillation sont chaudes et chargées. Leur traitement par AQUAHIVE permet d’en extraire de l’eau distillée de qualité chaudière vapeur réduisant ainsi l’utilisation de l’eau potable et le volume d’eau usée à traiter. 

Le modèle théorique a été validé en comparant les résultats numériques avec les résultats expérimentaux. La conception, la fabrication et l'assemblage du démonstrateur ont été réalisés, et il sera testé sur le site de Ryssen à partir de septembre 2024. Le système sera alimenté par des flegmasses à haute température (90°C), provenant du processus de distillation, afin de récupérer une quantité d’eau et de les refroidir dans le même temps. Le démonstrateur vise à produire 0,5 m3/h d'eau distillée et les essais seront répétés pour des conditions de H2V à 60°C. Le but de ce démonstrateur est de montrer la faisabilité du système à une échelle près de l’industrielle et de montrer l’intégration énergétique qui peut être faite avec cette technologie. 

Application et valorisation

Pour STEM, c’est une amélioration de sa technologie d’échangeur membranaire déjà breveté. Des brevets complémentaires seront déposés pour protéger cette innovation. L’augmentation du TRL de 4 à 8 permettra d’envisager l'industrialisation et la commercialisation de la technologie de production d'eau déminéralisée pour un usage industriel. Le CEEP Mines Paris PS/ARMINESL vise à consolider son expertise dans le domaine des échangeurs membranaires et valorisera ces travaux par des communications scientifiques. H2V valorisera les résultats par l’étude d’opportunité de réplication pour de futurs sites. Les résultats lui permettent de montrer à ses partenaires territoriaux l’effort qu’il fait pour préserver d’avantage la ressource eau.

Coordinateur  

• STEM (75)

Partenaires

• ARMINES / Mines Paris PSL via le CEEP (75)
• H2V (75)

Localisation

• Dunkerque

Détails du projet

• Durée : 36 mois
• Mois/Année de démarrage : Octobre 2021 

Montant total du projet

• 524 000 €

Aide projet

• 298 000 €