Article issu du numéro de septembre/octobre 2023 de 3D ADEPT Mag. Les performances et gains annoncés ci-dessous sont replacés dans les objectifs de recherche du projet à cette date.
Après avoir exploré le rôle de la fabrication additive dans la transition énergétique, nous nous intéressons ici à la céramique. Le projet européen HyP3D étudie son utilisation pour produire des cellules d’électrolyse fonctionnant sous pression. 3DCeram y apporte son expertise en stéréolithographie céramique.
Le passage d’une géométrie imprimée à un système fiable exige de valider matériaux, assemblages, traitements thermiques et fonctionnement. C’est dans ce cadre de recherche que les capacités annoncées doivent être lues.
Cet article examine :
- Le projet HyP3D et la production d’hydrogène.
- Le rôle de la stéréolithographie céramique de 3DCeram.
- Les perspectives et limites pour l’industrie de l’énergie.
Le projet européen HyP3D et le lien avec la production d’hydrogène
L’électrolyse utilise de l’électricité pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène. Le caractère renouvelable de l’hydrogène dépend notamment de l’énergie employée.
Les cellules d’électrolyse à oxyde solide (SOEC) fonctionnent à haute température. La difficulté visée par HyP3D est d’assurer une exploitation fiable et stable sous pression, pas de corriger un fonctionnement stable à pression atmosphérique. Les rendements doivent être comparés en tenant compte des apports électriques et thermiques.
Le projet européen HyP3D vise à remédier à cette limitation en démontrant la viabilité d’une technologie de cellule d’électrolyse à oxyde solide à haute pression (SOEC). Au cœur du projet, on trouve un large éventail d’experts de la recherche et de l’industrie : IREC, DTU, PoliTo, et BSC ainsi que VAC-TRON, H2B2, SNAM et 3DCERAM du côté de l’industrie.
Pour mettre au point une pile SOEC autonome ultra-compacte et à haute pression capable de transformer l’électricité en hydrogène comprimé, ce consortium exploitera la puissance de plusieurs solutions technologiques, dont l’impression 3D. Une étape clé de cette recherche sera le développement de cellules SOEC imprimées en 3D avec une surface active substantielle de 70 cm², des fonctionnalités intégrées et la capacité de produire de l’hydrogène à des densités de courant remarquablement élevées dépassant 0,90 A/cm² (~1,3 V) dans des conditions de 850 ºC et de pression de plus de 5 bars.
Le rôle de la stéréolithographie céramique de 3DCeram
Créée en 2001, 3DCeram a été reprise par Christophe Chaput et Richard Gaignon en 2009, selon son historique. L’entreprise développe des imprimantes céramiques fondées sur la stéréolithographie et accompagne la mise en œuvre du matériau jusqu’au traitement des pièces.
« Lorsqu’il s’agit d’industrialisation, la stéréolithographie devient un atout important car il s’agit d’un processus de construction de haut en bas. Cela signifie que les couches sont construites de bas en haut, ce qui évite l’utilisation de nombreux supports. Il s’agit là d’un point crucial à prendre en considération. Après l’impression, les pièces sont nettoyées, et moins il y a de supports, plus l’opération est facile et rapide, tout en réduisant les risques de déchets dus à une éventuelle casse lors de l’enlèvement des supports », explique l’entreprise.
Dans cette configuration dite « top-down », l’exposition se fait à la surface supérieure de la cuve, tandis que la plateforme descend entre les couches. La réduction des supports dépend de la géométrie ; elle ne supprime pas les étapes de nettoyage et de traitement thermique.
Dans le cadre de ce projet, le rôle de 3DCeram sera de définir et de mettre en œuvre le scénario d’application établi au niveau de la recherche. Cela implique de développer un processus d’optimisation complexe englobant la matière première imprimable Zr8Y, les paramètres d’impression 3D et les traitements thermiques.
Pour atteindre son objectif ultime – produire des pièces de forme complexe reflétant les dimensions finales de la cellule – l’équipe passera par un certain nombre d’étapes différentes : de la conception de procédures optimales à l’étude du comportement rhéologique et aux tests d’impression en formulant des suspensions spécialisées pour l’impression 3D SLA à l’aide de poudres YSZ commerciales.
La production s’appuiera sur l’imprimante 3D C1000 FLEXMATIC de l’entreprise, qui vise à automatiser l’ensemble du processus.
Cette ligne de production semi-automatique dispose d’une plateforme de construction de 320 × 320 mm qui correspond aux ambitions industrielles du projet. Dévoilée l’année dernière, l’imprimante 3D a été conçue avec deux options de laser qui peuvent répondre à différents besoins de production. Sa capacité d’automatisation assure la phase de recyclage du matériau non polymérisé ainsi que la phase de nettoyage des pièces et des plateaux. Le processus d’impression nous permet de gagner du temps car les pièces imprimées en 3D ne nécessitent que peu ou pas de support.
Ce que permet la stéréolithographie céramique
Pour mieux comprendre les capacités de la technologie de 3DCeram, il est important de garder à l’esprit que ces pièces sont toujours fabriquées à l’aide de techniques de fabrication conventionnelles telles que la coulée de bande. Les défis de ce processus de fabrication sont la difficulté de garantir les propriétés rhéologiques des boues de bandes vertes qui permettront la performance de l’électrolyte. En outre, le processus de fabrication produit une cellule plate et non fonctionnalisée, ce qui fait qu’il n’est pas toujours idéal pour la production.
Au contraire, l’impression 3D SLA confère à la cellule une géométrie complexe qui permet de modifier la forme de la surface et d’ajouter des voies de gaz pour optimiser les parties qui en ont besoin.
La présentation du projet HyP3D fixe une cible de 2,14 kW pour un empilement de 30 cellules occupant 630 cm³, soit environ 3,4 kW/L, et une puissance massique de 1,10 kW/kg. Il s’agit de valeurs de dimensionnement annoncées, pas de résultats indépendants établis dans cet article. L’unité volumique incomplète de la version initiale est ainsi corrigée.
Qu’est-ce que cela signifie pour l’industrie de l’énergie ?
En tant que partenaire clé du projet HyP3D, 3DCeram repousse les limites de sa technologie en démontrant les capacités d’automatisation qui seront nécessaires aux industries cherchant à augmenter la production de cellules SOEC imprimées en 3D.
L’enjeu industriel est de relier l’impression, le nettoyage, le déliantage, le frittage et le contrôle dans une chaîne reproductible. Les illustrations présentent la proposition d’automatisation de 3DCeram ; elles ne suffisent pas à démontrer une capacité de production de cellules SOEC qualifiée à l’échelle industrielle.
La C1000 FLEXMATIC s’inscrit dans cette démarche d’automatisation. L’entreprise propose également la C3600 ULTIMATE, de plus grand volume. L’adéquation de chaque machine aux cellules du projet reste liée aux essais et à la qualification du procédé.
En attendant, la vision de HyP3D ne s’arrête pas à la matérialisation de composants denses et mécaniquement robustes. 3DCeram va actuellement plus loin en développant et en modélisant une pile de production d’hydrogène. En collaborant étroitement avec l’IREC, un centre d’excellence en recherche énergétique appliquée, l’entreprise se concentrera désormais sur les stratégies d’impression optimales, afin de garantir la fiabilité et de maximiser le rendement de la production.
HyP3D annonçait aussi comme objectifs une réduction de 76 % de l’utilisation de matières premières et de 42 % de l’investissement initial par rapport à des installations conventionnelles de fabrication de cellules, dès le premier mégawatt de capacité. Ce sont des projections du consortium, dont la réalisation doit être évaluée ; le succès du projet ne peut pas être présumé.
« Avec cette initiative révolutionnaire HyP3D, le secteur de l’énergie voit converger les prouesses de l’impression 3D et l’innovation dans le domaine de l’hydrogène, propulsant le monde vers un avenir énergétique plus durable », conclut 3DCeram.
Co-écrit par Kety S. et Yosra K.
Notes de l’éditeur :
Au cœur du projet, on trouve un large éventail d’experts de la recherche et de l’industrie : IREC, DTU, PoliTo et BSC, ainsi que VAC-TRON, H2B2, SNAM et 3DCERAM du côté de l’industrie. Même si nous nous concentrons sur la compréhension des capacités de l’impression 3D SLA de 3DCeram dans cet article, il convient de noter que chacun de ces partenaires apporte une expertise précieuse au projet.
L’Institut de recherche énergétique de Catalogne (IREC), situé dans la région de Barcelone, coordonne HyP3D. Son département Nanoionics and Fuel Cells apporte son expertise dans la fabrication et l’évaluation de cellules à oxyde solide pour l’électrolyse et la production d’énergie.
DTU est une université technique européenne qui possède plus de 20 ans d’expérience dans le développement et la mise à l’échelle de céramiques fonctionnelles avancées.
Le Politecnico di Torino (PoliTO) est une université de premier plan en Italie et en Europe, axée sur la recherche technico-scientifique et leader dans le domaine des matériaux. Leur expertise sera combinée pour produire des assemblages résistants aux hautes pressions pour HyP3D.
Le Barcelona Supercomputing (BSC) est une institution nationale espagnole dédiée au calcul à haute performance (HPC). Elle gère MareNostrum, l’un des superordinateurs les plus puissants d’Europe. BSC réalisera des modèles fluido-dynamiques, électro-thermo-chimiques et mécaniques de haute-fidélité pour la technologie HyP3D, parallèlement à la création d’un jumeau numérique de la pile HyP3D.
VAC-TRON est une PME spécialisée dans la technologie d’étanchéité verre-métal pour des applications très exigeantes telles que l’aérospatiale et l’industrie pétrolière et gazière. Elle apportera au projet HyP3D une expertise importante dans les domaines de la conception de joints pour les hautes pressions et les hautes températures, ainsi que dans la création de procédures d’étanchéité fiables à l’échelle de la masse.
H2B2 est une organisation spécialisée dans les systèmes de production d’hydrogène par électrolyse de l’eau à différents niveaux : développement, financement, conception, intégration, construction, exploitation et maintenance. Elle propose des solutions de bout en bout pour la production d’hydrogène vert, à chaque étape du processus. Ils apporteront à HyP3D leur connaissance approfondie de l’efficacité énergétique et des stratégies de réduction des coûts des systèmes conçus. En outre, H2B2 est propriétaire de la ligne pilote de fabrication qui sera utilisée pour produire les cellules HyP3D.
SNAM est un opérateur de premier plan dans le transport et le stockage de gaz naturel en Europe, avec une infrastructure qui soutient la transition énergétique. Forte de ses 80 ans d’expérience dans la gestion et le développement de réseaux et d’usines, la SNAM assure la sécurité de l’approvisionnement énergétique et conduit la transition énergétique sur différents territoires en investissant dans les gaz verts, tels que le biométhane et l’hydrogène, ainsi que dans l’efficacité énergétique. La SNAM contribuera à les équipements auxiliaires du système HyP3D.
Note de relecture : objectifs du projet distingués des résultats démontrés, unité de puissance complétée, historique et terminologie clarifiés.
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