Kevin Van Droogenbroek

Modélisation dynamique des écoulements liquides et gazeux au sein d'un électrolyseur alcalin

Dans le monde d'aujourd'hui, les préoccupations concernant l'avenir de l'énergie ne cessent de croître. Malgré des objectifs climatiques internationaux très ambitieux d'ici 2050, les émissions mondiales de dioxyde de carbone (CO₂) continuent d'augmenter. L'hydrogène (H₂) pourrait jouer un rôle essentiel dans la résolution de ce problème, car il offre la possibilité de produire, stocker, transporter et utiliser de l'énergie de manière propre, contribuant ainsi de manière significative à la solution. Cependant, plus de 95% de la production actuelle d'hydrogène provient de l'hydrogène gris, c'est-à-dire de l'H₂ produit à partir de combustibles fossiles, ce qui entraîne de fortes émissions de CO₂. Une façon de décarboner ce vecteur énergétique est d'utiliser des énergies renouvelables (panneaux solaires, éoliennes, etc.) pour produire de l'hydrogène vert par électrolyse de l'eau. C'est là que le projet HeCO₂ financé par la région wallonne entre en jeu, en se concentrant sur la production d'hydrogène vert par électrolyse alcaline de l'eau (AWE - Alkaline Water Electrolysis).

En général, l'électrolyse alcaline se caractérise par l'utilisation de deux électrodes planes séparées par une certaine distance et plongées dans une solution alcaline d'électrolyte (par exemple, de l'hydroxyde de potassium KOH). Cependant, l'efficacité du procédé peut être améliorée en utilisant des électrodes 3D dans une configuration "zero-gap" et en faisant circuler l'électrolyte à travers la cellule d'électrolyse en lui imposant un certain débit d'entrée. Cette configuration sera utilisée dans le cadre du projet HeCO₂ et elle est représentée sur la figure ci-dessous. Les réactions chimiques se déroulant à la cathode et à l'anode sont également mises en évidence.

Plus précisément, la recherche consistera en la modélisation dynamique des écoulements liquides et gazeux au sein d'un électrolyseur alcalin à l'échelle industrielle, en particulier dans les chambres cathodiques où l'hydrogène sera produit. La géométrie considérée dans ce projet est celle du pilote situé dans les laboratoires de l'UCLouvain. La figure ci-dessous donne un aperçu de cet électrolyseur à échelle pilote. Les pompes utilisées pour forcer l'écoulement et l'un des stacks sont également mis en évidence. Une vue éclatée d'une des cellules composant le stack est montrée en haut à droite, où les cylindres bleus aplatis représentent les chambres anodiques et cathodiques.

L'étude des flux d'électrolyte et de bulles d'hydrogène permettra d'optimiser les performances de l'électrolyseur. La modélisation dynamique des fluides (CFD - Computational Fluid Dynamics) est un puissant outil numérique qui sera utilisé lors de ce projet pour déterminer la configuration optimale requise pour homogénéiser l'écoulement d'électrolyte (afin de tirer parti de toute la surface fournie par les électrodes) tout en favorisant l'évacuation des bulles d'hydrogène des structures 3D complexes. À titre d'exemple, la valeur ajoutée d'une simulation numérique pour une meilleure compréhension de la distribution du flux d'électrolyte dans une cellule vide (sans structure 3D) est illustrée ci-dessous, où le champ de vitesse de l'électrolyte (en m/s) est comparé aux dépôts de KOH qui ont été trouvés sur les plaques bipolaires du pilote. Notez que ces résultats numériques ont été générés à l'aide du logiciel OpenFOAM.