Cette transition est une étape essentielle pour réduire les émissions des industries lourdes, comme le raffinage du pétrole, et du secteur des transports, notamment le transport maritime. Partout dans le monde, les gouvernements et les entreprises se fixent des objectifs ambitieux pour accroître la production d'hydrogène vert, soulignant son potentiel pour améliorer la sécurité énergétique et ouvrir de nouvelles perspectives de marché.

L'innovation continue dans le domaine des électrolyseurs est essentielle à l'essor de l'hydrogène vert. Ces appareils, qui permettent de séparer l'eau en hydrogène et en oxygène, dépendent fortement de matériaux de pointe pour leurs électrodes, membranes et catalyseurs. Ces composants sont indispensables pour optimiser l'efficacité, la durabilité et les performances globales. Les innovations en science des matériaux, comme le développement de membranes plus robustes ou de catalyseurs plus performants, contribuent largement à réduire les coûts, à allonger la durée de vie et à minimiser l'utilisation de matériaux rares et coûteux. Face à la demande croissante d'hydrogène vert, les progrès en matière de matériaux deviennent de plus en plus cruciaux. Cependant, il ne s'agit pas seulement de créer des électrolyseurs plus efficaces. Il s'agit également de garantir la durabilité, l'évolutivité et l'accessibilité de ces systèmes afin de favoriser une véritable économie de l'hydrogène vert.

Le nouveau rapport d'IDTechEx, intitulé « Matériaux pour la production d'hydrogène vert 2024-2034 : Technologies, acteurs et prévisions », analyse en détail les matériaux et composants actuels et futurs utilisés dans les quatre principales technologies d'électrolyse de l'eau. Il aborde également les méthodes de production, les activités commerciales, les principaux acteurs du secteur et les innovations majeures concernant l'ensemble des composants des piles d'électrolyse.

Électrolyseur d'eau alcaline (AWE) : L'innovation au service de matériaux largement disponibles.
Les électrolyseurs d'eau alcaline, une technologie éprouvée et robuste, fonctionnent grâce à une solution alcaline liquide, généralement du KOH, et à un diaphragme poreux séparant les demi-cellules. Cette tendance devrait se poursuivre grâce à l'utilisation de matériaux courants tels que le nickel et l'acier inoxydable. Actuellement, les systèmes AWE sont classés en deux catégories : à entrefer fini et à entrefer nul. Cette préférence s'explique par l'intégration de couches de transport poreuses (CTP), qui améliorent considérablement l'efficacité et les propriétés de transport des gaz.

L'innovation demeure un moteur essentiel dans le domaine des systèmes AWE, les fabricants explorant de nouvelles pistes en matière de revêtements d'électrodes et de catalyseurs. Ces avancées visent à améliorer l'efficacité de cette technologie éprouvée. Par ailleurs, une attention croissante est portée à l'optimisation de la conception des piles à combustible afin de faciliter l'utilisation de gaz plus sensibles. Ces innovations sont cruciales pour une meilleure intégration aux sources d'énergie renouvelables et pour l'optimisation d'une production d'hydrogène respectueuse de l'environnement. Bien que de nombreuses entreprises aient commencé à fabriquer leurs propres piles à combustible, elles restent dépendantes de fournisseurs externes pour divers composants. Cette interdépendance offre des opportunités d'innovation, notamment en matière de catalyseurs et de configurations de piles à combustible, afin d'améliorer les performances des systèmes AWE.

 
Composants des cellules d'électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEMEL). Source : IDTechEx

Électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEMEL) : une efficacité accrue avec une utilisation moindre de métaux précieux

Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEMEL) gagnent en popularité grâce à leur rendement élevé, leur conception compacte et leur adaptabilité aux fluctuations des sources d'énergie renouvelables. Bien qu'une tendance à la standardisation des matériaux des piles à combustible PEMEL se dessine, l'innovation est loin d'être au point mort, notamment dans le développement des catalyseurs d'anode. Parmi les avancées récentes, on peut citer des catalyseurs qui conservent une activité catalytique élevée tout en réduisant significativement la consommation d'iridium, ce qui diminue le coût des matériaux par kilowatt (kW) et améliore l'accessibilité financière globale. L'adoption de ces innovations est cruciale pour le succès des PEMEL, car de nombreuses inquiétudes subsistent quant à la limitation de leur potentiel par les approvisionnements futurs en iridium.

D'autres innovations dans la technologie PEMEL sont diverses et importantes. Par exemple, les progrès réalisés dans l'amincissement des membranes échangeuses de protons contribuent à améliorer leur efficacité, tandis que les revêtements innovants pour les plaques bipolaires en titane augmentent leur durabilité et réduisent la dépendance aux métaux précieux. Ces avancées, ainsi que les conceptions commerciales avancées de PEMEL, soulignent le potentiel d'améliorations significatives des performances des batteries. Les nouveaux revêtements et les nouvelles méthodes de fabrication, en particulier pour la membrane revêtue de catalyseur (CCM), sont à la pointe de ces améliorations et promettent une nouvelle ère pour une technologie PEMEL rentable et efficace.

Électrolyseurs à membrane échangeuse d'anions (AEMEL) : combinant les avantages des technologies AWE et PEMEL

L'électrolyseur à membrane échangeuse d'anions (AEMEL) est une technologie en plein essor qui vise à combiner les atouts des technologies alcalines et PEM. L'AEMEL associe l'abondance des matériaux utilisés dans l'électrolyse alcaline à la haute efficacité des électrolyseurs PEMEL. Cette technologie connaît une croissance et une innovation rapides, illustrées par des entreprises comme Enapter, pionnières dans le développement de systèmes commerciaux de plusieurs mégawatts.

Technologie relativement récente, l'AEMEL utilise des matériaux moins standardisés que l'AWE et le PEMEL. De ce fait, son potentiel d'innovation est considérable, et la recherche académique et industrielle se concentre sur le développement des membranes et des catalyseurs. Cette dynamique alimente non seulement son potentiel d'innovation, mais positionne également l'AEMEL stratégiquement pour révolutionner le paysage technologique des électrolyseurs grâce à la combinaison unique de stabilité des matériaux, d'efficacité et d'accessibilité.

Cellules électrolytiques à oxyde solide (SOEC) : une innovation céramique à haute température

Les piles à électrolyte solide (SOEC) représentent une technologie relativement récente dans le domaine de l'électrolyse, avec une présence sur le marché plus modeste que les piles à électrons auto-extrudés (AWE) et les piles à électrolyte polymère (PEMEL). Cependant, les SOEC connaissent un essor important grâce aux innovations partagées avec le secteur des piles à combustible à oxyde solide (SOFC). L'interchangeabilité entre SOFC et SOEC, notamment dans l'utilisation de matériaux similaires, constitue un atout majeur. Bien que certains composants céramiques soient déjà bien implantés dans cette technologie, le développement de nouveaux ensembles électrode-électrolyte pour les SOEC demeure un axe d'innovation dynamique. Ceci se traduit par des variations considérables dans la conception des cellules et les matériaux utilisés selon les fabricants. Ces ensembles vont des électrodes métalliques aux électrodes céramiques, chacune présentant ses propres avantages et intégrant divers matériaux céramiques.

L'un des principaux défis des batteries SOEC réside dans la compatibilité thermique des différents matériaux. Ceci a conduit à des progrès dans d'autres composants, tels que les interconnexions et les produits d'étanchéité. De nouveaux matériaux et revêtements améliorent la compatibilité thermique et réduisent la dégradation des composants. De manière générale, une large gamme de matériaux est utilisée dans les batteries SOEC, illustrant non seulement la diversité de cette technologie, mais aussi le potentiel d'innovation en matière de matériaux pour ces électrolyseurs à haute température. L'évolution du secteur des batteries SOEC offre des perspectives prometteuses pour le développement de la technologie d'électrolyse grâce à de nouveaux matériaux céramiques et des configurations de batteries innovantes.

Perspectives du marché et perspectives stratégiques

IDTechEx prévoit que le marché des composants d'électrolyseurs atteindra le chiffre impressionnant de 31,7 milliards de dollars d'ici 2034. Cette croissance est principalement due à l'essor rapide du secteur de l'hydrogène vert, dans lequel les électrolyseurs jouent un rôle crucial. Le nouveau rapport d'IDTechEx, intitulé « Matériaux pour la production d'hydrogène vert 2024-2034 : Technologies, acteurs et prévisions », présente une analyse complète des matériaux et composants actuels et futurs utilisés dans les quatre principales technologies d'électrolyseurs d'eau : électrolyseur alcalin (AWE), électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEMEL), électrolyseur à membrane échangeuse d'anions (AEMEL) et électrolyseur à oxyde solide (SOEC).

Ce rapport présente une analyse détaillée des coûts des batteries par composant, en se concentrant sur les batteries AWE, PEMEL et SOEC. Il inclut des listes exhaustives de fournisseurs de batteries pour électrolyseurs, de composants et de matériaux, ainsi que des études de cas illustrant les principales innovations du secteur. De plus, il propose des prévisions de marché précises sur 10 ans, quantifiant la demande annuelle de matériaux et de composants en tonnes, en mètres carrés (m²) et en millions de dollars. Ce rapport offre une vision approfondie des tendances et perspectives actuelles du marché des électrolyseurs, mettant en lumière les principales opportunités et les orientations de croissance du secteur.