Hydrogène vert : quelle place pour l’ozone dans le traitement de l’eau des électrolyseurs ?

 

La performance d’une unité de production d’hydrogène vert ne dépend pas uniquement de l’électricité renouvelable et de la technologie de l’électrolyseur. La qualité de l’eau d’alimentation peut directement influencer la disponibilité, la durée de vie et les coûts d’exploitation de l’installation.

Les électrolyseurs, en particulier ceux utilisant la technologie PEM, nécessitent une eau fortement déminéralisée et très faiblement chargée en contaminants minéraux, organiques ou microbiologiques.

Dans certaines configurations, l’ozone peut contribuer au prétraitement de l’eau, à la maîtrise du biofilm et à la protection de la chaîne de production d’eau de haute pureté. Son intégration doit néanmoins être étudiée avec précision : l’ozone ne constitue pas une solution universelle et ne doit jamais atteindre des membranes ou des équipements non compatibles avec cet oxydant.

 

Pourquoi la qualité de l’eau est-elle critique pour un électrolyseur ?

 

L’électrolyse consiste à séparer la molécule d’eau en hydrogène et en oxygène grâce à un courant électrique. La qualité d’eau requise dépend de la technologie employée et des spécifications du fabricant de l’électrolyseur.

Les électrolyseurs PEM demandent généralement une eau de très haute pureté. Les installations alcalines peuvent accepter des spécifications différentes, mais nécessitent elles aussi une maîtrise rigoureuse de l’eau alimentant le procédé.

Une eau insuffisamment traitée peut notamment favoriser :

• l’entartrage et la formation de dépôts minéraux ;
• le développement de micro-organismes et de biofilms ;
• l’encrassement des membranes d’osmose inverse ;
• l’augmentation de la fréquence des nettoyages chimiques ;
• la contamination des résines et des équipements de polissage ;
• la corrosion de certains composants ;
• une diminution des performances ou de la disponibilité de l’installation.

La production d’eau destinée à un électrolyseur repose donc généralement sur plusieurs opérations successives : filtration, correction physico-chimique, osmose inverse, électrodéionisation ou échange d’ions, puis stockage et distribution de l’eau produite.

L’ozone peut éventuellement intervenir en amont de certaines de ces étapes, afin de protéger et d’optimiser la chaîne de traitement.

 

Où utiliser l’ozone dans le traitement de l’eau des électrolyseurs ?

 

Prétraitement de l’eau brute

L’eau utilisée pour produire de l’hydrogène peut provenir du réseau, d’un forage, d’une eau de surface, d’une ressource industrielle ou, après traitement adapté, d’une eau recyclée.

Selon son origine, elle peut contenir :

• des bactéries et d’autres micro-organismes ;
• des matières organiques naturelles ;
• du fer ou du manganèse ;
• des matières en suspension ;
• des micropolluants ;
• des composés susceptibles de favoriser l’encrassement biologique.

Une préozonation correctement étudiée peut contribuer à désinfecter l’eau, à oxyder certains composés et à réduire la charge biologique dirigée vers les équipements situés en aval.

L’objectif n’est pas de produire directement une eau ultrapure avec l’ozone. Celui-ci constitue plutôt une étape complémentaire destinée à sécuriser les procédés qui assureront ensuite la déminéralisation et le polissage de l’eau.

 

Prévention du bio-encrassement des membranes

Le bio-encrassement, également appelé biofouling, correspond au développement de micro-organismes et de biofilms sur les membranes, les canalisations, les cuves et les équipements de traitement.

Une fois installé, un biofilm peut devenir difficile à éliminer. Il peut provoquer une augmentation de la perte de charge, une diminution du débit de perméat, une dégradation des performances de l’osmose inverse et une augmentation de la fréquence des nettoyages chimiques.

Utilisé en amont et dans des conditions maîtrisées, l’ozone peut réduire la population microbienne et contribuer à la prévention du biofilm. Son intérêt doit toutefois être évalué à partir de la qualité réelle de l’eau et de l’architecture complète du procédé.

 

Oxydation de certains contaminants

Grâce à son pouvoir oxydant, l’ozone peut également agir sur certains composés organiques ou inorganiques présents dans l’eau.

Selon les caractéristiques de la ressource, il peut notamment contribuer à :

• oxyder le fer et le manganèse avant filtration ;
• transformer certains composés organiques ;
• réduire la couleur et certaines odeurs ;
• faciliter une filtration ou une adsorption ultérieure ;
• limiter certains précurseurs d’encrassement.

Lorsque l’eau présente une charge organique particulièrement complexe, l’ozone peut éventuellement être associé aux UV ou au peroxyde d’hydrogène dans le cadre d’un procédé d’oxydation avancée. Une telle configuration nécessite cependant des essais et une étude particulière.

 

Point critique : protéger les membranes d’osmose inverse

 

L’ozone ne doit pas atteindre les membranes d’osmose inverse en polyamide.

Une exposition à l’ozone résiduel peut dégrader leur couche active et diminuer leur capacité de rétention des sels. Lorsqu’une préozonation est installée, le procédé doit donc prévoir une étape fiable de disparition ou de destruction de l’ozone avant l’osmose inverse.

Un schéma de traitement peut, par exemple, comprendre :

1. la préparation et la filtration de l’eau brute ;
2. l’injection de l’ozone ;
3. une cuve ou une tour de contact ;
4. la destruction de l’ozone résiduel ;
5. une mesure directe de l’ozone dissous ;
6. une filtration de sécurité ;
7. l’osmose inverse ;
8. le polissage final par électrodéionisation ou échange d’ions.

La destruction de l’ozone résiduel peut notamment être réalisée au moyen d’un média catalytique, d’un charbon actif adapté ou, selon le procédé, d’un agent réducteur.

Le choix de la solution dépend de la qualité de l’eau, des contraintes microbiologiques et des exigences du fabricant des membranes. L’installation doit également comporter des sécurités permettant d’interrompre immédiatement la production ou l’injection d’ozone si une concentration résiduelle anormale est détectée.

 

Le potentiel redox suffit-il pour contrôler l’ozonation ?

 

Le potentiel d’oxydoréduction, ou redox, constitue un indicateur utile du caractère oxydant de l’eau. Il permet notamment de suivre une tendance et peut participer au pilotage automatique de l’installation.

Il ne mesure toutefois pas exclusivement l’ozone. Sa valeur dépend de l’ensemble des espèces oxydantes et réductrices présentes, mais également du pH, de la température et de la composition de l’eau.

Pour sécuriser une membrane d’osmose inverse, il est donc recommandé d’associer :

• une mesure du potentiel redox pour le suivi du procédé ;
• une mesure directe de l’ozone dissous au point critique ;
• des seuils d’alarme et d’arrêt automatique ;
• un contrôle de l’étape de destruction de l’ozone ;
• une traçabilité des paramètres de fonctionnement.

Le dimensionnement ne peut pas reposer uniquement sur un débit et une concentration théorique exprimée en milligrammes par litre. Il doit également intégrer la demande réelle en ozone de l’eau, le rendement de transfert gaz-liquide, la température, le pH, le temps de contact et la vitesse de décomposition de l’ozone.

 

Peut-on valoriser l’oxygène produit par l’électrolyseur ?

 

 

L’électrolyse de l’eau génère de l’hydrogène, mais également de l’oxygène. En théorie, environ huit kilogrammes d’oxygène sont produits pour un kilogramme d’hydrogène.

Lorsqu’il n’est pas valorisé, cet oxygène est généralement évacué dans des conditions contrôlées. Une faible partie pourrait éventuellement être utilisée comme gaz d’alimentation d’un générateur d’ozone.

Cette intégration peut présenter plusieurs avantages potentiels :

• valorisation locale d’un coproduit ;
• réduction du recours à de l’oxygène liquide ;
• suppression éventuelle d’un concentrateur d’oxygène indépendant ;
• réduction de certaines consommations auxiliaires ;
• meilleure intégration du traitement d’eau dans le procédé hydrogène.

Cette possibilité doit néanmoins être validée techniquement. La pureté, l’humidité, la pression, la température, les éventuelles traces d’hydrogène et la disponibilité de l’oxygène doivent être compatibles avec le générateur d’ozone et les règles de sécurité du site.

La valorisation de l’oxygène ne doit jamais perturber le fonctionnement, les automatismes ou la sécurité de l’électrolyseur.

 

Peut-on utiliser l’ozone dans le circuit de refroidissement ?

 

L’utilisation de l’ozone dans certains circuits de refroidissement peut contribuer à la maîtrise biologique. Elle ne doit cependant pas être proposée automatiquement sur le circuit d’un électrolyseur.

Une étude préalable doit notamment déterminer :

• s’il s’agit d’un circuit primaire ou secondaire ;
• si le circuit présente réellement un risque microbiologique ;
• quels matériaux, joints, revêtements et échangeurs sont présents ;
• si des inhibiteurs de corrosion ou d’autres produits sont utilisés ;
• si le fabricant autorise l’introduction d’un oxydant ;
• quelles conséquences cette modification pourrait avoir sur la garantie.

Toute application d’ozone dans un circuit associé au stack doit être validée par le fabricant de l’électrolyseur. Dans certains projets, le traitement d’un circuit secondaire ou de l’eau d’appoint peut constituer une approche plus adaptée qu’une intervention sur le circuit primaire.

 

Quels sont les avantages potentiels de l’ozone ?

 

Lorsque les caractéristiques de l’eau et du procédé sont favorables, l’ozone peut apporter plusieurs bénéfices :

• production sur site à partir d’oxygène ;
• absence de stockage d’un biocide liquide ;
• forte capacité d’oxydation et de désinfection ;
• action sur certains contaminants organiques ;
• contribution à la maîtrise du biofilm ;
• réduction potentielle de certains produits chimiques ;
• automatisation du traitement ;
• valorisation possible d’une partie de l’oxygène coproduit.

Ces bénéfices doivent être comparés aux contraintes propres à l’ozonation :

• sensibilité de certaines membranes et de certains matériaux ;
• nécessité de détruire l’ozone résiduel ;
• consommation électrique ;
• besoin d’instrumentation et de sécurités ;
• maintenance du générateur, de l’injection et des capteurs ;
• formation du personnel ;
• formation possible de sous-produits d’oxydation ;
• risque de bromates lorsque l’eau contient des bromures.

 

Pourquoi analyser l’eau avant tout dimensionnement ?

 

La pertinence de l’ozone ne peut pas être déterminée uniquement à partir de la puissance de l’électrolyseur ou du débit nominal de l’installation.

L’étude doit notamment prendre en compte :

• l’origine et la variabilité de la ressource en eau ;
• le débit moyen et le débit maximal ;
• le pH et la température ;
• la conductivité et la turbidité ;
• les matières en suspension ;
• le carbone organique total ;
• la charge microbiologique ;
• le fer, le manganèse et les autres composés oxydables ;
• les concentrations en chlorures et en bromures ;
• les traitements déjà présents ;
• les spécifications du fabricant de l’électrolyseur ;
• la qualité d’eau exigée à l’entrée du stack.

Des essais en laboratoire ou sur pilote peuvent être nécessaires pour mesurer la demande réelle en ozone, vérifier les performances obtenues et rechercher d’éventuels sous-produits.

 

Quelle place pour l’ozone dans les futurs projets d’hydrogène vert ?

 

L’ozone ne remplace ni l’osmose inverse, ni l’électrodéionisation, ni les résines de polissage. Il peut en revanche constituer une brique complémentaire du prétraitement de l’eau, destinée à protéger les équipements et à maîtriser certains risques biologiques ou organiques.

Son intérêt peut être particulièrement pertinent lorsque :

• la ressource en eau est biologiquement instable ;
• l’eau provient d’un stockage, d’une ressource superficielle ou d’une filière de réutilisation ;
• le bio-encrassement constitue un risque identifié ;
• l’exploitant souhaite réduire l’utilisation de certains produits chimiques ;
• l’oxygène coproduit peut être valorisé ;
• la continuité de production nécessite une sécurisation renforcée du traitement d’eau.

À l’inverse, une eau de réseau stable, peu chargée et déjà correctement traitée ne justifiera pas nécessairement l’ajout d’une étape d’ozonation.

 

Étudier l’intégration de l’ozone dès la conception

 

L’évaluation de l’ozone doit idéalement intervenir dès les premières phases d’ingénierie. Une intégration tardive peut devenir plus complexe lorsqu’elle nécessite la modification des cuves, des canalisations, des automatismes ou des dispositifs de sécurité.

OXYTRADING accompagne les producteurs d’hydrogène, bureaux d’études, fabricants d’électrolyseurs et intégrateurs de traitement d’eau pour :

• analyser la qualité de l’eau et le procédé existant ;
• déterminer la pertinence d’une préozonation ;
• réaliser des essais en laboratoire ou sur pilote ;
• évaluer la compatibilité des matériaux ;
• étudier la valorisation de l’oxygène coproduit ;
• dimensionner la génération et le transfert d’ozone ;
• intégrer la destruction de l’ozone résiduel ;
• mettre en place les mesures, automatismes et dispositifs de sécurité.

Chaque projet fait l’objet d’une étude spécifique, en tenant compte de la qualité de l’eau, des équipements présents et des prescriptions du fabricant de l’électrolyseur.