Un pavé anthracite orné de trois bandes striées trône sur une table, au centre de l’atelier pilote de Genvia, à Béziers (Hérault), implanté sur le site de l’équipementier pétrolier Cameron (Schlumberger). À l’aide de gros boulons, deux larges plaques enserrent le bloc gris légèrement plus petit qu’un mille-feuille pâtissier. La formule H2O est inscrite sur quatre petites pancartes qui pendent sous l’objet monté sur pied. « Il s’agit d’une maquette en impression 3D de notre stack de puissance, à l’échelle deux tiers… en plastique ! », précise le directeur des opérations de Genvia, Pierre Cappelle, casque de chantier sous le bras.
Créé en mars 2021 par le CEA et la multinationale d’équipements pétroliers Schlumberger (ainsi que des partenaires industriels et institutionnels), Genvia veut industrialiser une technologie de rupture dans la production d’hydrogène : l’électrolyseur à haute température. Cette jeune société française – quoique dotée d’une technologie en cours de maturation – affiche une feuille de route très ambitieuse. « Notre future méga-usine de Béziers aura atteint le gigawatt par an d’ici à 2030, tandis que nos premiers prototypes de systèmes sortiront du site pilote dès 2023, assure la PDG Florence Lambert, ancienne directrice du CEA-Liten. Tout va très vite ! Nous menons de front la montée en maturité de la technologie et le développement de l’outil industriel. » L’État soutient la démarche : une aide publique de 200 millions d’euros sera accordée à Genvia dans le cadre d’un projet important d’intérêt européen commun (Piiec), a annoncé Emmanuel Macron, lors de sa visite sur le site, le 16 novembre.
Du modèle réduit à la gigafactory
À chaque pas qui frappe le sol, un écho retentit dans la salle. Blanche et spacieuse, cette pièce centrale de l’usine pilote de Genvia est surtout… vide. « Voilà le volume qui accueillera la future ligne pilote, commente Pierre Cappelle, dont la voix grave met en évidence la résonance du lieu. Elle nous permettra d’élaborer une ossature pour la première ligne de production de notre gigafactory. » Ces 600 mètres carrés accueilleront les équipements pour fabriquer les composants des stacks de puissance. Cette cuisine se passe en attendant dans l’atelier voisin, modèle réduit de la ligne à venir. « Le stack est le cœur de la technologie », insiste Patrice Tochon, le responsable de la R&D de Genvia. La recette du mille-feuille est l’aboutissement de plus de quinze ans de recherches dans les laboratoires du CEA et l’objet d’une quarantaine de brevets.
Chaque stack consiste en l’empilement répété du noyau de la réaction qu’est la cellule électrochimique (la crème pâtissière) et d’une feuille métallique (la pâte feuilletée). « La plaque, appelée interconnecteur, permet d’alimenter électriquement la cellule et d’évacuer les gaz », indique Patrice Tochon. Les premiers systèmes d’électrolyse complets, qui se présenteront sous la forme de conteneurs, compteront plusieurs stacks munis de tuyaux d’alimentation, d’échangeurs et d’électronique de puissance.
De retour dans l’atelier pilote, le directeur des opérations se poste devant un chariot de cantine plaqué contre un mur. Sur un plateau, de petits sachets en plastique s’y tassent. « Ce sont tous les ingrédients qui composent ce fameux stack : interconnecteurs, fils, couches isolantes, cellule céramique avec la partie active en vert… », liste-t-il. Mais avant leur assemblage et la cuisson du mille-feuille, plusieurs étapes cadencent le processus de production des électrolyseurs.
La cuisson, savoir-faire précieux
Un bourdonnement, léger et continu, s’échappe d’un banc à rouleaux. Deux petits pots – l’un noir, l’autre blanc – tournent sans arrêt sur eux-mêmes. La préparation des encres constitue la première étape. « Le matériau blanc sert à l’étanchéité, tandis que le noir permet de faire le contact côté hydrogène », explique Patrice Tochon. Les solvants sont d’abord répandus dans un banc de coulage d’un mètre de longueur à peine. « Sa version industrielle fera dix mètres ! », souffle Pierre Cappelle. Des carrés (de la taille de la cellule) sont découpés par laser après que le matériau noir s’est solidifié. « Puis, nous le perçons et le thermopressons sur la plaque en inox, avant de repasser par le laser pour faire des rainures », poursuit le directeur. La cellule est ensuite collée sur ce carré noir strié. « Après cela, un robot à commande numérique vient extruder la barbotine blanche autour de la cellule à l’aide d’une seringue. Il dépose également une couche intermédiaire isolante qui s’intercale entre les plaques métalliques. »
L’ultime étape – cruciale – se tient dans la troisième et dernière salle de l’usine pilote, surnommée « la pièce hydrogène ». C’est l’enverrage et le conditionnement du stack, pour le rendre étanche et résistant. « Ce qui se passe à l’intérieur de ces fours, c’est vraiment le savoir-faire du CEA qui s’exprime ! », souligne Pierre Cappelle en s’avançant vers deux fours de chauffe qui se font face, à côté desquels des rouleaux de laine de verre jonchent le sol. « Nous réalisons d’abord l’empilement des couches à l’intérieur du four, raconte Patrice Tochon. L’objet est ensuite pressé par un vérin pour diviser sa hauteur par deux. En même temps, nous devons le faire cuire : l’étanchéité a lieu avec un verre qui fond au-delà de 800 °C. » Des recherches sont en cours pour optimiser cette partie essentielle du procédé. « Pour mener à bien la maturation et l’industrialisation sur ce point particulier, nous avons spécifié des bancs avec des vitesses de montée et de descente en température jusqu’à trois fois plus élevées que ce dont on a besoin à ce jour », explique Patrice Tochon.
« Grâce à l’attelage inédit que Genvia représente – qui mêle recherche française et ingénierie internationale –, nous avons les atouts pour rattraper la compétition mondiale », s’enchante Florence Lambert. Pour propulser l’électrolyseur à haute température de Genvia en tant que technologie clé de la massification de l’hydrogène, la durée de vie du système (fragilisé par les hautes températures) et le conditionnement du stack sont deux axes essentiels sur lesquels travaillent encore les équipes du centre de transfert technologique situé à Grenoble. Il reste du mille-feuille sur la planche !
Une pépite technologique sortie des laboratoires du CEA
L’électrolyse à haute température compte rebattre les cartes de la production de l’hydrogène vert. « Comme nous électrolysons autour de 800 °C à partir de vapeur d’eau, nous gagnons au moins 15 % de rendement par rapport aux électrolyseurs PEM et alcalin », affirme Florence Lambert, la PDG de Genvia. À quoi s’ajoutent 15 % de gains supplémentaires si le système d’électrolyse est intégré, permettant d’exploiter les sources de chaleur du site industriel, selon la PDG. Un petit nombre d’acteurs dans le monde industrialise déjà cette technologie, à l’instar de l’allemand Sunfire. Cependant, « le design de notre stack [photo] – objet de multiples brevets – fait toute la différence », souligne Florence Lambert. Le secret ? « Contrairement à la plupart de nos concurrents, nous ne sommes pas partis de la pile à combustible à haute température – le phénomène inverse de l’électrolyse –, où la preuve de concept est plus facile, et qui demande de traiter l’étanchéité dans un second temps. » Les choix de matériaux et surtout l’élaboration du protocole complexe, long et minutieux pour conditionner les stacks dans des fours ont permis aux équipes du CEA d’atteindre un rendement de 99 % en pouvoir calorifique supérieur (PCS).
© Dominique Guillaudin / CEA
