Conclusion : Dans la combinaison la plus exigeante de conditions de fonctionnement, qui implique une charge partielle et un fonctionnement sous pression, il faut adopter une conception de circuit dérivé, ainsi que la mise en œuvre de stratégies efficaces pour l'équilibre du niveau de liquide et de la concentration afin de maintenir les concentrations d'impuretés dans des limites de sécurité. Les recherches montrent que l'adaptabilité d'une circulation d'électrolyte partagée à cette combinaison de conditions de fonctionnement est très sensible et instable.
IV. Gestion des pannes de courant et des basses tensions
Sous réserve de maintenir les concentrations d'impuretés dans des limites de sécurité, le système peut tolérer brièvement un fonctionnement en dessous de la limite inférieure de charge, mais les tensions des électrodes doivent être strictement contrôlées :
Tension de protection cathodique : lorsque la tension de la cathode tombe en dessous d'environ 0,25 V, la détérioration (telle que la corrosion et la dissolution) du matériau de l'électrode s'accélère de manière significative.
Redondance de sécurité : même si les concentrations d'impuretés sont contrôlables, une fois que la tension approche de ce seuil, un arrêt immédiat est nécessaire pour protéger les électrodes.
Contre-mesures :
Amortissement de l'effet capacitif : les structures modernes d'électrodes composites multicouches peuvent présenter un certain effet capacitif (équivalent à un grand condensateur interne). Des expériences ont démontré qu'après une panne de courant totale, cet effet peut ralentir le taux de chute de la tension des électrodes, donnant ainsi au système le temps de redémarrer. Les données de recherche montrent que si le courant peut être rétabli dans les 10 minutes suivant une panne de courant, il peut être possible d'éviter l'arrêt et de maintenir un fonctionnement continu, ce qui améliore considérablement la capacité du système à faire face aux fluctuations transitoires.
V. Complexité de la gestion de la température
Le fonctionnement à charge partielle pose également des défis importants pour la régulation de la température du système :
Plage d'efficacité optimale étroite : l'électrolyse alcaline atteint généralement son efficacité optimale entre 50 et 80 °C (avec une conductivité élevée et aucune détérioration importante du matériau).
Chaleur insuffisante à charges réduites : à mesure que la charge diminue, la chaleur de réaction (chaleur ohmique et enthalpie de réaction) diminue également. Dans des températures ambiantes basses ou avec une isolation insuffisante, le système a du mal à maintenir des températures supérieures au minimum de 50 °C (ce qui compromet l'efficacité et la sécurité).
La charge élevée et la température élevée nécessitent une dissipation de chaleur : sous pleine charge ou à des températures ambiantes élevées, un système de refroidissement efficace est nécessaire pour empêcher les températures de dépasser la limite supérieure (généralement 80-90 °C) afin d’éviter d’accélérer la dégradation des matériaux ou d’aggraver la corrosion.
VI. Stratégies externes pour faire face aux fluctuations de charge partielle
Pour faire face efficacement aux fluctuations de puissance en dessous de la limite inférieure de charge (par exemple, 10 % à 25 %) et éviter les démarrages et arrêts fréquents, des stratégies externes sont souvent nécessaires pour maintenir les sous-modules de l’électrolyseur en fonctionnement à des charges plus élevées :
Amortissement des fluctuations de puissance : intégrer des systèmes de stockage d’énergie (tels que des batteries, des supercondensateurs ou des volants d’inertie) pour atténuer les fluctuations rapides de l’énergie renouvelable et fournir une entrée CC stable.
Fonctionnement en groupement de piles d’électrolyseur : diviser les grands systèmes d’électrolyse en plusieurs sous-modules indépendants. Lorsque la puissance totale demandée diminue, certains sous-modules peuvent être arrêtés (mis en arrêt ou en mode veille), tout en maintenant le fonctionnement des sous-modules restants à proximité de leurs charges nominales.
Défis techniques :
Algorithme de répartition de charge : répartir efficacement et de manière flexible les fluctuations de puissance entre les différents sous-modules.
Gestion de l’état thermique : gérer la montée, la descente de température et les exigences d’isolation lors du démarrage et de l’arrêt des différents sous-modules.
Enregistrement et analyse de l’historique opérationnel : suivre et enregistrer avec précision les heures de démarrage, les durées de fonctionnement et les courbes de charge de chaque sous-module afin d’évaluer l’état de vieillissement, de prédire la durée de vie, de formuler des plans de maintenance précis (tels que le remplacement des électrodes) et d’optimiser les stratégies opérationnelles.
