GUNT-H2SKILLS
Hydrogène vert: compétences d’avenir pour l’enseignement
La chaîne de valeur de l'hydrogène dans l'industrie
Pour la production d'hydrogène vert, de l'eau purifiée ayant une conductivité spécifique est décomposée en hydrogène et en oxygène dans un électrolyseur à l'aide d'énergies renouvelables.
Pour protéger les processus ultérieurs, l'hydrogène produit est d'abord purifié. Ensuite, le transport à destination des consommateurs finaux a lieu. Pour augmenter la densité énergétique, il est possible de transformer l’hydrogène en ammoniac vert.
Dans le cadre de leur consommation finale, l'hydrogène et les dérivés servent principalement de matière première dans l'industrie, comme carburant pour les opérations de transport, pour le chauffage et comme source pour la production d'électricité.
La gamme d'appareils GUNT pour le développement de H2SKILLS
Pour la production d'hydrogène, GUNT propose trois types d'électrolyseurs différents couvrant différentes échelles et différents procédés d'électrolyse:
- électrolyseur à membrane échangeuse d'anions
- électrolyseurs à membrane échangeuse de protons
- principes de base à l'échelle industrielle
À l'aide des appareils de GUNT, les apprentis découvrent différents procédés de purification de l'hydrogène, qui sont en partie utilisés pour produire de l'azote destiné à la transformation. Les bases du transport par conduites avec un booster de gaz sont enseignées.
» information complémentaires
En tant que consommateur final, GUNT propose des systèmes de piles à combustible avec membrane échangeuse de protons. Le fonctionnement et la structure sont présentés, et les relations des paramètres de fonctionnement sont examinées.
» information complémentairesET 280 Électrolyseur AEM avec accessoires
ET 278 Principes du circuit H2 (PEM)
ET 282 Électrolyseur industriel (PEM)
CE 585 Processus de purification de l'eau
CE 530 Osmose inverse
CE 530 Échange d'ions
CE 540 Séchage de l’air par adsorption
CE 545 N2 - Adsorption par inversion de pression
CE 550 N2 - Procédé de séparation par membrane
MT 220 Station de montage:
suralimentation en gaz
ET 292 Système de pile à combustible
Aperçu des appareils
| Code des appareils GUNT | Upstream: production de H2 |
Midstream: purification, transformation, transport | Downstream: consommation finale |
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| » ET 278 |
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| » ET 282 |
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| » CE 585 |
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| » CE 530 |
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| » CE 300 |
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| » CE 540 |
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| » CE 545 |
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| » CE 550 |
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| » ET 292 |
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1. Production de H2
Production d'hydrogène par électrolyse AEM à partir d'énergie renouvelable
Grâce à la membrane échangeuse d'anions (AEM: Anion Exchange Membrane), l'électrolyseur AEM est divisé en deux demi-cellules. Dans la demi-cellule anodique, une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium circule comme électrolyte et imprègne la membrane. Il n'y a pas de liquide dans la demi-cellule cathodique.
L'eau traverse la membrane et est réduite au niveau de la cathode.
4H2O + 4e– → 4OH– + 2H2
L'hydrogène produit s'échappe tandis que les ions hydroxyde retournent dans la demi-cellule anodique. À l'anode, cela produit de l'oxygène et de l'eau.
4OH–→ 2H2O + O2 + 4e–
Afin de développer pleinement la production d'hydrogène vert à titre expérimental, GUNT propose un système composé de composants d'essai coordonnés:
- Modules photovoltaïques ET 255.02 et Éolienne ET 255.04 comme sources d'énergie renouvelables
- Système énergétique ET 255 pour une autoconsommation optimisée grâce à l'utilisation du stockage avec un système de gestion de l'énergie
- Électrolyseur (AEM) ET 280 pour la production d'hydrogène
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ET 255.01 Simulateur photovoltaïque |
- simulation des caractéristiques courant-tension des modules photovoltaïques
- définition de profils production + consommation en fonction du temps
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ET 255.02 Modules photovoltaïque |
- bâti mobile pivotant avec 4 modules photovoltaïques, angle d’inclinaison réglable
- capteur de température et d’éclairement du module
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ET 255.04 Éolienne |
ET 255.04 sert de source d'énergie renouvelable supplémentaire.
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un bouton d’arrêt d’urgence comme dispositif de sécurité |
ET 255 Système énergétique pour l'électricité solaire et éolienne
ET 255 comprend tous les composants nécessaires réseau à un système énergétique.
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boîte de raccordement du générateur avec disjoncteur à courant continu et protection contre les surtensions comme dispositif de sécurité |
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régulateur de charge avec optimisation de la puissance (tracker MPP) |
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accumulateur LiFePO + système de gestion de batterie |
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onduleur, du réseau / en îlotage |
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compteur de courant bidirectionnel avec interface de communication |
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raccordement au réseau |
ET 280 Électrolyseur modulaire pour H2 (AEM)
ET 280 comprend un électrolyseur avec un stack composée de plusieurs cellules en série et de type bipolaire.
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système d’osmose inverse pour la purification de l’eau |
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électrolyseur refroidi à l'air avec membrane échangeuse d'anions (AEM), stack d'électrolyse avec 24 cellules |
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brûleur à gaz pour brûler l’hydrogène produit |
Lors de l’électrolyse PEM, la membrane échangeuse de protons (PEM: Proton Exchange Membrane) sert d’électrolyte assurant la conduction ionique. L’eau circule du côté anode. À l'anode, l'eau est réduite en oxygène, en électrons libres et en ions hydrogène: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Les ions hydrogène traversent la membrane et réagissent avec les électrons libres à la cathode pour former de l’hydrogène: 4H+ + 4e- → 2H2
Production d'hydrogène par électrolyse PEM: des bases à l'échelle industrielle
ET 278 Principes du circuit H2 (PEM)
Le banc d’essai ET 278 contient tous les éléments nécessaires pour étudier la conversion de l’énergie électrique en hydrogène et la conversion inverse dans un circuit.
- circuit complet d'hydrogène
- électrolyseur PEM pour la production d’hydrogène
- purification d'hydrogène dans des composants transparents
- pile à combustible PEM pour consommation directe d'hydrogène
- enregistrement de la puissance électrique, du débit volumétrique, de la pression avec bilan énergétique
- commande de l'installation via un API intégré
» informations complémentaires
ET 282 Électrolyseur industriel pour H2 (PEM)
L'ET 282 contient tous les éléments nécessaires pour étudier la production d’hydrogène à l’échelle industrielle. Les étapes typiques du procédé sont les suivantes: traitement de l’eau, production d’hydrogène ainsi que traitement et stockage de l’hydrogène.
- électrolyseur PEM performant de 5kW pour la production d'hydrogène
- purification de l'eau dans en circuit d'eau fermé
- contrôle permanent du vieillissement des cellules
- trois procédés de purification de l'hydrogène
- enregistrement du débit, de la température et de la pression de l'hydrogène
- commande numérique de l'installation et acquisition des données via un système de conduite de procédés équipé du logiciel
Purification de l'eau
- circuit d'eau fermé
- réservoir avec dispositif de chauffage pour préchauffer l'eau
- échangeur d'ions pour ajuster la conductivité
- analyse continue de la conductivité
Électrolyseur PEM
- stack d'électrolyse avec 18 cellules
- membrane revêtue d'un catalyseur (CCM – Catalyst Coated Membrane) avec une charge accrue de platine
- surveillance des tensions des cellules individuelles sur le stack pour une maintenance préventive
- rinçage à l'azote possible via un raccord séparé, par ex. pour les travaux de maintenance
Séchage de H2
- pare-gouttes pour une séparation grossière de l'eau
- ligne de refroidissement avec filtre coalescent en aval
- élimination de l'humidité résiduelle par deux adsorbeurs en mode alterné
Procédés de purification l'eau pour électrolyse
CE 585 Processus de purification de l'eau
- purification de l'eau brute à l'échelle industrielle
- familiarisation avec les procédés de base de la purification de l'eau: aération, filtration, adsorption, échange d’ions et désinfection
- réalisation des travaux de maintenance
CE 530 Osmose inverse
La production d'hydrogène au moyen de l’électrolyse nécessite de l'eau purifiée ayant une conductivité spécifique. Cette qualité de l'eau peut être obtenue par la purification de l'eau par osmose inverse. CE 530 démontre le principe de base de l'osmose inverse à l'aide d'un procédé de séparation par membrane.
- assemblage, nettoyage et conservation des modules à membrane
- principe de base de l’osmose inverse, loi de Van’t Hoff
- détermination du coefficient de diffusion
CE 300 Échange d'ions
Les échangeurs d’ions sont utilisés principalement pour le dessalement et l’adoucissement lors du traitement de l’eau. Le CE 300 permet de mettre en évidence ces procédés à l’aide des échangeurs de cations et des échangeurs d’anions.
- adoucissement et dessalement de l’eau par échange d’ions
- régénération des échangeurs d’ions
- échangeur de cations et d’anions
- vérification de la durée de régénération théorique
- enregistrement continu de la conductibilité et du débit
» informations complémentaires
2. Purification, transformation, transport
Purification de H2 pour le transport et la consommation finale, séparation de gaz pour les processus de transformation
Le séchage par adsorption est une étape importante dans la purification de l'hydrogène issu de l'électrolyse afin d'éviter les dommages causés par l'humidité dans les processus en aval.
CE 540 Séchage de l’air par Adsorption
À l'aide d'air humide, le CE 540 permet de démontrer le séchage de gaz par adsorption.
- processus continu avec régénération de l’adsorbant
- colonnes transparentes et adsorbant avec indicateur pour l’observation de la zone de transfert de masse
» informations complémentaires
L'adsorption à pression modulée est utilisée non seulement pour la purification de l'hydrogène, mais aussi pour la production d'azote destiné à la synthèse de l'ammoniac en tant que processus de transformation.
CE 545 N2 - Adsorption à pression modulée
Le principe de l'adsorption à pression modulée (AM – Adsorption à pression modulée) est utilisé dans CE 545 pour produire de l'azote à partir de l'air.
- étapes du procédé d'adsorption à pression modulée: adsorption, perçage, désorption, régénération
- deux colonnes à lit fixe à fonctionnement alterné pour l'adsorption et la régénération parallèles
» informations complémentaires
Les procédés de séparation par membrane sont également utilisés pour la purification de l'hydrogène et pour la production d'azote par séparation des gaz. L'azote est utilisé pour transformer l'hydrogène en ammoniac vert, un dérivé de l'hydrogène.
CE 550 N2 - Procédé de séparation par membrane
Le CE 550 démontre clairement la séparation des gaz avec membranes à fibres creuses selon le principe de la perméation sélective.
- production d’azote à partir de l’air
- processus efficace
- module à membrane industriel
- fibres creuses SEPURAN® N2
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Compression et transport par conduites
MT 220 Station de montage: booster de gaz dans la technologie de l'hydrogène
La station de montage MT 220 contient un booster de gaz industriel utilisé dans la technologie de l’hydrogène, qui est installé dans une conduite avec différentes robinetteries. Le montage des conduites est effectué par les apprentis eux-mêmes selon les instructions. Pour les essais, l’air comprimé est utilisé comme fluide d’entraînement et de fonctionnement.
- montage de conduites et robinetteries conforme à la pratique en technologie de l’hydrogène
- booster de gaz à un étage avec entraînement pneumatique
- vérification d’étanchéité réelle et travaux de maintenance
» informations complémentaires
MT 141 Montage d'un compresseur à piston avec le dispositif d’essai MT142
- montage et démontage d'un compresseur à piston
- fonctionnement et procédure de contrôle
» informations complémentaires
CE 810 Booster de gaz dans la technologie de l'hydrogène
- principe de fonctionnement d’un booster de gaz à un étage avec entraînement pneumatique à piston
- appareil haute pression industriel
» informations complémentaires
CE 815 Composants pour la technologie de l'hydrogène
3. Consommation finale
Consommation d'hydrogène par une pile à combustible PEM
Les piles à combustible convertissent directement l’énergie chimique en énergie électrique, contrairement aux moteurs thermiques. L'énergie thermique est générée comme produit secondaire.
À l’anode, l’hydrogène est dissocié en protons et électrons:
2H2 → 4H+ + 4e−
Les protons traversent la membrane vers la cathode, les électrons circulent dans le circuit externe et produisent de l’énergie électrique. À la cathode, protons, électrons et oxygène réagissent pour former de l’eau:
O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O
Réaction globale de la pile PEM:
2H2 + O2 → 2H2O + énergie électrique + énergie thermique
ET 292 Système de pile à combustible
L’élément principal de l’ET 292 est une pile à combustible à membrane polymère avec un stack d'électrolyse avec 30 cellules fonctionnant en cogénération. Le système est alimenté côté anode en hydrogène ultrapur à partir d’un réservoir de gaz comprimé et côté cathode par l’oxygène contenu dans l’air ambiant. La pile à combustible fonctionne au moyen d’une charge électronique intégrée, en mode courant ou puissance.
- structure et fonction d’un système de pile à combustible
- rapports des paramètres de fonctionnement des piles à combustible
- impacts sur la puissance électrique des piles à combustible
- enregistrement et visualisation de toutes les caractéristiques tensions / intensité correspondantes
- calcul des grandeurs caractéristiques correspondantes
» informations complémentaires
ET 278 Principes du circuit H2 (PEM)
L'ET 278 démontre la production d'hydrogène et la conversion inverse en énergie électrique
- pile à combustible PEM et une lampe halogène pour une consommation directe d'hydrogène
- circuit complet d'hydrogène
- enregistrement de la puissance électrique, du débit volumétrique, de la pression avec bilan énergétique
- commande de l'installation via un API intégré
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