Présentation

Notre siècle est marqué par une course contre la montre pour limiter le réchauffement climatique à 1.5 °C au-dessus des niveaux préindustriels, comme convenu dans l’Accord de Paris par 192 Parties en décembre 2015 [1]. Dans ce contexte, les technologies utilisant de l’hydrogène décarboné sont devenues une priorité nationale pour de nombreux pays [2, 3]. En tant qu’innovations de rupture, elles promettent de décarboner les secteurs les plus énergivores (industrie, transports, stockage d’énergie) et de limiter les coûts réels (environnementaux, climatiques, sanitaires) de la chaîne de valeur de l’énergie, de la conversion aux usages [4]. En particulier, elles jouent un rôle crucial dans la décarbonation des industries d’acier et d’engrais, dans l’électrification des transports lourds, et dans le stockage de l’électricité provenant d’énergies renouvelables (EnR) intermittentes ou saisonnières [5]. Notamment, à l’échelle de réseaux non interconnectés comme ceux présents sur les territoires insulaires, l’hybridation d’unités de conversion multi sources repose sur le déploiement de systèmes de stockage, à la fois pour découpler la production et la demande d’énergie de la disponibilité des EnR locales, et pour gérer la complémentarité des ressources variables et flexibles. Le stockage d’énergie sous forme d’hydrogène, puis sa reconversion stationnaire en électricité, permettent de pallier l’intermittence des EnR variables en optimisant la capacité de production électrique.

Actuellement, la pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est la technologie la plus largement adoptée dans le domaine des piles à combustible [6]. Néanmoins, elle rencontre des obstacles technologiques qui doivent être surmontés pour une commercialisation à grande échelle, tels que de faibles densités de puissance, des coûts élevés et une durée de vie limitée [7]. En particulier, les régimes transitoires induits par la variabilité des EnR sont à l’origine de problématiques en termes de performances, de fiabilité et de durabilité des systèmes H2 : dégradations et vieillissement prématuré des cellules, ou occurrence de défauts (gestion de l’eau, corrosion, …). Afin d’y remédier, les institutions du monde se sont données plusieurs objectifs de développement des PEMFC. Concernant l’amélioration des densités de puissance et de courant, l’Union Européenne cherche à atteindre 1,2 W.cm−2 @ 0,675 V d’ici 2030 [8], tandis que le Japon vise 6 kW.l−1 et 3.8 A.cm−2 pour la même année [7]. Pour les coûts, l’Union Européenne cible un prix inférieur à 50€/kW en 2030 pour les piles à combustible des véhicules lourds [8]. Enfin, concernant leur durée de vie, l’Union Européenne souhaite atteindre 30 000h de fonctionnement pour les bus hydrogène en 2030 [8].

La modélisation numérique des piles à combustible permet de contribuer à ces objectifs de développement. En effet, les modèles fournissent des informations sur les états internes des piles que les capteurs traditionnels ne peuvent pas capturer, car il est impossible de les placer directement dans les cellules de piles en raison de leur très faible épaisseur. Avec ces informations précises, le diagnostic des PEMFC peut être amélioré [9, 10]. Il devient ainsi possible de contrôler plus efficacement les piles à combustible en temps réel en ajustant leurs conditions opératoires, comme la pression, la température, l’humidité et le débit des gaz entrant, ce qui peut permettre d’améliorer leurs performances, d’éviter les défauts tels que le noyage des cellules, et réduire leur dégradation.

Le projet OPUS-H2: « Optimisation des Performances et de la dUrabilité des Systèmes Hydrogène à partir d’un jumeau numérique avancé », porté par le Pr. Michel Benne et s’étendant de mai 2025 à mai 2027, a pour objectif principal de contribuer de manière significative au développement de modèles numériques des piles à combustible PEM pour améliorer leurs performances et leur durabilité, ainsi que de développer des compétences expérimentales auprès du partenaire européen ZSW, déjà bien ancré dans le domaine d’étude, pour les ramener sur le territoire réunionnais. Le partage des connaissances et des compétences croisées à l’échelle de ce partenariat permettront d’encourager l’innovation et la recherche. 

Le projet OPUS-H2 est financé par l’Union Européenne à hauteur de 136 060,78€ dans le cadre du programme FEDER-FSE+ Réunion dont l’Autorité de gestion est la Région Réunion. L’Europe s’engage à La Réunion avec le fonds FEDER. La Région Réunion complète ce financement par une contrepartie nationale de 24 010,72€.

Sources:
[1] The Paris Agreement, United Nations 2015 (https://unfccc.int/documents/9064)
[2] The Future of Hydrogen. Seizing Todayʼs Opportunities, IEA 2019 (https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen)
[3] Y. Wang et al. 2011 (10.1016/j.apenergy.2010.09.030)
[4] Panchenko et al. 2023 (10.1016/j.ijhydene.2022.10.084)
[5] Stratégie Nationale Pour Le Développement de l’hydrogène Décarboné En France, Gouvernement français, Dossier de Presse 2020 (https://www.economie.gouv.fr/presentation-strategie-nationale-developpement-hydrogene-decarbone-france)
[6] A. Dicks et al. 2018 (ISBN 978-1-118-70697-8 978-1-118-61352-8)
[7] K. Jiao et al. 2021 (10.1038/s41586-021-03482-7)
[8] Clean Hydrogen Joint Undertaking. Strategic Research and Innovation Agenda 2021 – 2027 (https://www.clean-hydrogen.europa.eu/about-us/key-documents/strategic-research-and-innovation-agenda_en)
[9] Fei Gao et al 2010 (10.1109/TIE.2009.2021177)
[10] J. Luna et al 2016 (10.1016/j.jpowsour.2016.08.019)