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 millefeuille acheté en pâtisserie. La formule « H2O » est inscrite sur quatre petites pancartes, qui pendent sous l’objet monté sur pied. Casque de chantier sous un bras, le directeur des opérations de Genvia, Pierre Capelle, pointe l’index de son autre main vers le pavé. « Il s’agit d’une maquette en impression 3D de notre stack de puissance (échelle deux tiers)… en plastique ! »
La société française Genvia réunit le CEA et la multinationale d’équipements pétroliers Schlumberger (ainsi que des partenaires industriels et institutionnels) dans le but d’industrialiser une technologie de rupture dans la production d’hydrogène : l’électrolyseur haute température. Né fin mars 2021, le jeune industriel – quoique doté d’une techno 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 de l’usine pilote dès 2023, assure Florence Lambert, PDG de Genvia et ancienne directrice du CEA-Liten. Tout va très vite ! Nous menons ainsi de front la montée en maturité de la technologie et le développement de l’outil industriel. » Et l’Etat de soutenir la démarche : 200 millions d’euros de soutien public seront accordés à Genvia par le biais d’un Projet important d’intérêt commun (IPCEI), a-t-on appris lors de la visite du Président Emmanuel Macron sur le site de l’usine mardi 16 novembre.
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 Capelle, dont la voix grave met en évidence la résonance du lieu. Elle nous permet d’élaborer une ossature pour la première ligne de production de notre gigafactory. »
Ces 600 m² accueilleront notamment les équipements pour fabriquer les composants des stacks de puissance ; une cuisine qui se passe actuellement dans l’atelier d’à côté, modèle réduit de la ligne à venir. « Le stack, c’est le cœur de la technologie ! » insiste Patrice Tochon, responsable de la recherche et du développement. La recette du millefeuille condense en effet, à elle seule, plus de 15 ans de recherches menées dans les laboratoires du CEA ainsi qu’une quarantaine de brevets déposés.
Chaque stack consiste en l’empilement répété du noyau de la réaction qu’est la cellule électrochimique (la crème pâtissière), puis d’une feuille métallique (la pâte feuilletée). « La plaque, appelée interconnecteur, permet d’alimenter électriquement la cellule et d’évacuer les gaz », précice M. Tochon. Les premiers systèmes d’électrolyse complets, sous la forme de containers, compteront plusieurs stacks munis de tuyaux d’alimentation, d’échangeurs, 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 plastiques 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 le directeur des opérations. Mais avant l’assemblage des ingrédients et la cuisson du millefeuille, plusieurs étapes cadenceront le processus de production des électrolyseurs de Genvia.
La cuisson, savoir-faire du CEA
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 de la recette. « 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 long à peine. « Sa version industrielle fera 10 mètres de long ! » souffle Pierre Capelle.
Des carrés (de la taille de la cellule) sont découpés par laser après que le matériau de couleur 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 », continue M. Capelle. La cellule est ensuite collée sur ce carré noir strié. « Après quoi, 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 », développe le maître des opérations.
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, censé 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 M. Capelle en s’avançant vers deux fours de chauffe qui se font face, à côté desquels rouleaux de laines de verre jonchent le sol. « Pour résumer, nous réalisons d’abord l’empilement des couches à l’intérieur du four, commence M. Tochon. L’objet vient ensuite être pressé par un vérin pour diviser sa hauteur par deux. En même temps, nous devons le faire cuire : l’étanchéité a en effet lieu avec un verre qui fond au-delà de 800°C. »
Des recherches sont en cours pour optimiser cette partie essentielle du process. « Pour mener à bien maturation et 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 M. 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 la PDG de Genvia Florence Lambert. Pour propulser l’électrolyseur haute température de Genvia en tant que technologie clef de l’ère de la massification de l’hydrogène, l’amélioration de la durée de vie du système (fragilisée par les hautes températures) et l’optimisation du conditionnement du stack sont deux axes essentiels sur lesquels travaillent encore les équipes du centre de transfert technologique, basé à Grenoble. Il reste du millefeuille sur la planche !
Une pépite technologique sortie des laboratoires du CEA
L’électrolyse haute température compte rebattre les cartes de la production de l’hydrogène vert. « Parce que nous électrolysons à haute température (autour de 800°C) à partir de vapeur d’eau, nous gagnons déjà au moins 15 % de rendement par rapport aux électrolyseurs PEM ou alcalin », soulève Florence Lambert, PDG de Genvia. À quoi s’ajoutent 15 % de gain supplémentaire si le système d’électrolyse est intégré, permettant d’exploiter les sources de chaleur du site industriel, selon Mme Lambert. Un petit nombre d’acteurs industrialisent déjà cette technologie dans le monde à l’instar de l’Allemand SunFire. « Par rapport à nos concurrents, le design de notre stack – objet de multiples brevets – fait toute la différence », soulève Florence Lambert, PDG de Genvia. Le secret ? « Contrairement à la plupart de nos concurrents, nous ne sommes pas partis de la pile à combustible haute température – le phénomène inverse de l’électrolyse –, où la preuve de concept est plus facile, qui demande de traiter l’étanchéité dans un second temps. » Les choix en termes 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 de faire exploser les rendements à hauteur de 99 % en pouvoir calorifique supérieur (PCS).
