Si de nombreux secteurs dont celui de l’aérospatial ont déjà commencé à adopter l’impression 3D céramique en raison de sa capacité à exploiter les propriétés exceptionnelles de ce matériau tout en permettant la production de composants plus légers et complexes, l’énergie se présente comme un domaine d’applications très prometteur.
Devenu l’un des leaders mondiaux de ce segment montant de la fabrication additive, 3D Ceram, un constructeur français spécialisé dans les imprimantes 3D industrielles céramique, a récemment rapporté un cas d’applications particulièrement intéressant concernant la production d’hydrogène. Une source d’énergie que l’on sait clef dans le contexte de transition énergétique, et comme un moyen de réduire l’empreinte carbone des activités humaines.
L’entreprise Limougeaude a officialisé sa participation au projet HyP3D, une initiative européenne visant à élaborer une ligne pilote d’impression 3D pour fabriquer à grande échelle des stacks, c’est à dire des empilements de cellules d’électrolyse à oxyde solide (SOEC) dédiées à la production d’hydrogène sous pression.
Initié en 2022 pour une durée de trois ans, et soutenu par un budget de 2,5 millions d’euros, le programme HyP3D dirigé par l’Institut de recherche énergétique (IREC) et composé de 8 partenaires européens, vise à s’appuyer sur l’impression 3D pour répondre aux limites actuelles des cellules d’électrolyse à oxyde solide (en anglais SOEL : «solid oxide electrolysis»), qui aident à convertir la vapeur (H20) et/ou le CO2 en H2 à l’aide d’un électrolyte à oxyde solide (céramique).
« Parmi les différents types de systèmes d’électrolyse, ceux basés sur des cellules d’électrolyse à oxyde solide (SOEC) à haute température sont, de loin, les plus efficaces »
La cellule SOEC est dotée de plaques céramiques imprimées via le système C1000 Flexmatic de 3DCeram (crédits photo : 3DCeram)
Pour expliquer simplement le fonctionnement des cellules d’électrolyse à oxyde solide, celles-ci fonctionnent en utilisant un matériau céramique conducteur d’ions, séparé en deux électrodes par un électrolyte solide. Lorsque de l’électricité passe à travers ce matériau, l’eau (ou la vapeur d’eau) se divise en oxygène d’un côté et en hydrogène de l’autre, produisant ainsi de l’hydrogène gazeux. Ce processus se fait sans combustion, ce qui en fait donc une méthode plus verte pour produire de l’hydrogène en utilisant de l’électricité.
« Parmi les différents types de systèmes d’électrolyse, ceux basés sur des cellules d’électrolyse à oxyde solide (SOEC) à haute température sont, de loin, les plus efficaces » abonde HyP3D. « L’électricité produite de manière intermittente par des sources d’énergie renouvelables ainsi qu’une solution intelligente pour décarboner l’énergie pour les secteurs intensifiés (par exemple, sidérurgie, raffineries, industrie céramique ou usines chimiques). Selon Hydrogen Europe et les projections de la stratégie EC Hydrogen, 40 GW d’électrolyse seront installés d’ici 2030 en Europe. »
Promise à jouer un rôle clef dans les systèmes énergiques plus propres, cette approche rencontre néanmoins des limitations lorsqu’elle est soumise à des conditions de haute pression nécessaires pour les applications de stockage d’énergie et de transport. L’un des problèmes majeurs rencontrés, réside dans la géométrie des cellules en céramique des technologies SOEC qui se brisent sous pression en raison des variations de pression de chaque côté des cellules.
Pour répondre à l’objectif fixé par HyP3D, c’est à dire développer une pile SOEC autonome ultra-compacte et à haute pression, capable de convertir l’électricité en hydrogène comprimé, 3DCeram travaille actuellement sur l’impression 3D de céramiques d’oxyde qui constituent le cœur de la cellule appelé électrolyte. Dans ce processus, de la vapeur d’eau diffuse sous pression à 850°C et, sous l’effet d’un courant électrique, se divise en hydrogène et en oxygène.
« faire progresser l’économie de l’hydrogène, en réduisant considérablement les délais de mise sur le marché et la consommation de matières premières de 76 % »
En septembre dernier, la deuxième réunion du consortium HyP3D s’est tenue dans les locaux de 3DCERAM à Limoges. Sur cette photo on peut voir les différents protagonistes du projet posant devant des systèmes céramique C1000 FLEXMATIC de 3DCeram (crédit photo : HyP3D)
Pour y parvenir, l’entreprise tricolore explique avoir développé une conception de cellules céramiques dotée d’une géométrie spécifique qui lui permet de résister à des pressions différentielles élevées. L’autre axe de développement concerne le matériau. 3DCeram travaille sur une formulation innovante de zircone dopée à 8 % d’yttrium, ainsi que des résines photosensibles adaptées à la technologie d’impression 3D SLA (stéréolithographie).
Quant au processus d’impression 3D, on apprend qu’il est effectué à l’aide d’une C1000 Flexmatic de 3DCeram, une imprimante 3D céramique industrielle semi-automatique dotée d’un volume de fabrication de 320 x 320 mm. L’objectif est d’arriver à des piles SOEC à très haute densité, soit une puissance de sortie de 2,14 kW et 30 cellules dans un volume total de seulement 630 cm³.
« La vision de HyP3D ne se limite pas à matérialiser des composants denses et mécaniquement robustes. » précise l’HyP3D avant d’ajouter. « 3DCeram et IREC se concentrent sur la formulation de méthodes d’impression optimales, garantissant la fiabilité et la fiabilité. maximiser le rendement de production. Le projet s’aligne sur des objectifs plus larges visant à faire progresser l’économie de l’hydrogène, en réduisant considérablement les délais de mise sur le marché et la consommation de matières premières de 76 %, et en minimisant l’investissement initial de 42 % par rapport aux processus de fabrication conventionnels tout en introduisant une grande flexibilité et évolutivité des lignes de production. »
Composant SOEC céramique imprimé en 3D par 3DCeram (crédits photo : 3DCeram)
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