4,27%Des matériaux pour la transition hydrogène by Aperam Innovation Lab
La compétition entre les différentes technologies d’électrolyse est pleinement engagée – et pour chacune d’elles, Aperam propose les matériaux adaptés. Sous un même toit se regroupent des sites de fabrication d’aciers inoxydables, d’alliages de nickel et autres alliages spéciaux, de bandes de précision, de tubes ainsi que des centres de recherche étroitement interconnectés.
La continuité entre la production industrielle et l’application en série est assurée par un réseau intégré de centres de services, déployé à l’échelle du groupe garantissant un passage fluide entre innovation, industrialisation et mise sur le marché.
L’hydrogène est bien plus qu’un simple vecteur énergétique. Il porte une ambition de transition vers moins d’émissions industrielles. La rapidité avec laquelle nous parviendrons à décarboner nos sociétés industrielles, tout en préservant leur compétitivité, dépendra de notre capacité à disposer d’hydrogène en volumes suffisants, à un coût maîtrisé et avec un haut niveau de sécurité d’approvisionnement. Les procédés sont connus. Certains sont déjà éprouvés à l’échelle industrielle (AEL). Pourtant, la dynamique d’innovation reste intense sur de nouvelles technologies d’electrolyse (PEM, AEM, SOEC).
Le choix des technologies qui s’imposeront selon les applications dépend aussi des matériaux utilisés. Ceux-ci doivent offrir une très haute résistance à la corrosion, une conductivité électrique élevée ainsi qu’une excellente tenue mécanique. Un tel niveau d’exigence conduit naturellement vers les aciers inoxydables et les alliages de nickel fortement alliés. Aperam maîtrise ces deux familles de matériaux. Autant de raisons pour faire de la transition énergétique une priorité stratégique du groupe.
Un cap technologique clair
Pour structurer cette approche, Aperam a mis en place un « Innovation Lab » qui s’appuie sur deux centres de R&D complémentaires : l’un dédié aux aciers inoxydables, basé à Isbergues, et l’autre spécialisé dans les alliages, implanté à Imphy. Ces deux pôles travaillent en étroite coordination et génèrent aussi des synergies industrielles, notamment dans le développement de bandes de précision et de matériaux dont la surface est optimisée pour l’application ultérieure de nouvelles surfaces fonctionnelles.
La cartographie des évolutions technologiques reste complexe. Pour définir le bon cap dans un environnement en mutation rapide, Aperam s’appuie sur le Dr Adolfo Kalergis Do Nascimento Viana. En tant que Head of Market Innovation and Business Development – CCUS, New Energies & Hydrogen, il identifie les domaines dans lesquels les solutions existantes d’Aperam et d’Imphy répondent déjà aux attentes du marché.
Plus encore, dans une perspective tournée vers l’avenir, il évalue les axes de développement matériaux les plus prometteurs ainsi que les partenaires industriels susceptibles de contribuer à de nouvelles chaînes de valeur. Dans cette démarche, il mobilise les synergies entre les activités inox, alliages et centres de services.
Sur le marché germanophone, Adolfo Kalergis peut compter sur un partenaire clé : Ralf Behle, Senior Business Development Manager pour les alliages Imphy. Fort de son expérience de terrain, il précise : « Dans le domaine des électrolyseurs, nous faisons face à un large spectre d’exigences matériaux. Cela va des nuances ferritiques d’aciers inoxydables jusqu’au nickel pur et au titane. Ce spectre se retrouve également dans la fluidité des échanges de connaissances et d’expériences entre les deux divisions d’Aperam. »
Une approche en constante adaptation
Plusieurs procédés de production d’hydrogène sont aujourd’hui disponibles : électrolyse alcaline (AEL), membranes à échange de protons (PEM), membranes à échange d’anions (AEM) ou encore électrolyse à oxyde solide (SOEC). Interrogé sur la technologie la plus prometteuse, Kalergis répond : « Les orientations évoluent. Selon les contextes, l’intérêt se porte tantôt sur une technologie, tantôt sur une autre. Aperam adopte une approche ouverte et dispose, pour chacune d’elles, d’une gamme complète de matériaux. »
À ce jour, l’électrolyse alcaline (AEL) constitue la technologie la plus mature et demeure, à ce titre, la plus répandue. À l’avenir, toutefois, les technologies PEM pourraient progressivement s’imposer. Aujourd’hui, l’AEL et le PEM concentrent ensemble près de 90 % des parts de marché, illustrant un paysage technologique encore largement structuré autour de ces deux procédés.
L’AEL (à gauche) et le PEM (à droite) demeurent aujourd’hui les technologies dominantes.
Le principe de l’électrolyse alcaline reste pour beaucoup associé à une expérience de laboratoire scolaire. L’eau devient conductrice par l’ajout d’un électrolyte, acide ou alcalin. Lorsque deux électrodes y sont immergées et qu’un courant continu est appliqué, des bulles d’oxygène apparaissent à l’anode tandis que des bulles d’hydrogène se forment à la cathode.
À l’échelle industrielle, ce procédé fonctionne avec des solutions alcalines concentrées, à des températures de fonctionnement comprises entre 60 et 90 °C. Pour résister à ces environnements fortement corrosifs, Aperam propose des matériaux adaptés. Pour les électrodes et les plaques bipolaires, l’alliage de nickel 201 se distingue par sa haute résistance à la corrosion associée à une excellente conductivité électrique. Revêtues d’une couche de nickel, des nuances austénitiques telles qu’Aperam 316L, 316A, 310L et 904L, ainsi que le duplex DX2205, peuvent également constituer des alternatives plus économiques.
Pour les enveloppes de cellules, les enveloppes et les tuyauteries, des austénitiques standards comme Aperam 304 (EN 1.4301) ou 316L (EN 1.4404) sont particulièrement adaptés.
La technologie AEL est éprouvée industriellement et reconnue pour sa robustesse. Les investissements requis restent comparativement modérés. Son rendement électrique se situe entre 60 et 70 %. Elle convient principalement aux exploitations à grande échelle en fonctionnement continu, sur des sites disposant d’un approvisionnement électrique stable.
Membranes polymères : conductivité électrique et résistance à la corrosion
Les électrolyseurs PEM conservent une efficacité élevée, y compris en fonctionnement intermittent. Ils sont ainsi particulièrement adaptés à l’utilisation d’énergies renouvelables variables, telles que l’éolien ou le solaire, typiques de nombreuses régions d’Europe centrale. Ils conviennent également aux installations de plus petite taille et aux configurations décentralisées. Les températures de fonctionnement restent modérées, généralement comprises entre 50 et 80 °C. En revanche, le procédé met en œuvre des milieux fortement acides. Les plaques bipolaires sont généralement réalisées en titane ou, en alternative, en acier inoxydable revêtu de titane.
Les membranes à échange d’anions (AEM) représentent une alternative prometteuse. Elles combinent des mécanismes propres à l’électrolyse alcaline et à la technologie PEM. Leur conception est compacte, elles ne nécessitent pas de métaux catalytiques particulièrement nobles et leur température de fonctionnement se situe généralement entre 40 et 70 °C.
Les électrolyseurs AEM utilisent également des milieux aqueux. Les conditions sont le plus souvent modérément alcalines et les pressions relativement faibles. Les matériaux employés doivent donc présenter une bonne résistance à la corrosion en environnement basique. Kalergis souligne : « Résistance à la corrosion et conductivité électrique sont étroitement liées. Quiconque a déjà été confronté à des contacts de batterie oxydés sait que les oxydes métalliques sont isolants. Dans un électrolyseur, la corrosion ne compromettrait pas seulement la sécurité d’exploitation, elle limiterait également le transport ionique et réduirait les performances électriques. »
Pour l’électrolyse AEM, les mêmes matériaux sont utilisés que pour la technologie PEM. L’efficacité électrique des deux procédés se situe à un niveau comparable. Toutefois, la technologie AEM est encore en phase de montée en puissance industrielle et les retours d’expérience à long terme restent limités.
SOEC : haute température et production à grande échelle
Les cellules d’électrolyse à oxyde solide (solid oxide electrolyzer cells, SOEC) figurent parmi les candidats les plus prometteurs pour une production massive et continue d’hydrogène. Le procédé d’électrolyse, basé sur des membranes céramiques, requiert en effet des températures comprises entre 650 et 850 °C. En contrepartie, le rendement électrique atteint 80 à 90 %. Autre atout majeur : l’utilisation de vapeur d’eau comme matière première permet d’intégrer une partie de l’énergie nécessaire sous forme de chaleur industrielle récupérée, ce qui améliore encore le rendement global du système.
Si le potentiel est considérable, les défis matériaux le sont tout autant : résistance au fluage, fatigue, oxydation à haute température, diffusion des gaz et compatibilité des revêtements. Kalergis précise : « Ces températures de fonctionnement ne constituent pas un terrain inconnu pour nous. Nos matériaux sont utilisés depuis des décennies dans des procédés à haute température, notamment dans l’industrie chimique. Les retours d’expérience à long terme sont largement documentés et analysés au sein de notre département R&D. Ils alimentent des développements communs avec nos clients constructeurs d’installations. Ils servent également de base à de nouvelles solutions matériaux que nous développons en étroite collaboration avec les fabricants de stacks. »
La technologie SOEC permet de valoriser la chaleur fatale, notamment celle issue des centres de données.
Pour les plaques d’interconnexion, les collecteurs de courant et les plaques d’extrémité, le marché s’oriente actuellement vers des aciers inoxydables ferritiques. Plusieurs fabricants d’électrolyseurs de premier plan ont déjà validé les nuances Aperam K41, K44M, K45 et K46. L’alliage Imphy 23SO est également envisagé. Il se distingue par une excellente résistance au fluage et une remarquable tenue à l’oxydation à haute température.
Balance of Plant : un rôle systémique déterminant
Au-delà des électrolyseurs eux-mêmes, les composants environnants dits Balance of Plant (BoP), c’est-à-dire les installations en amont et en aval du procédé, sont tout aussi déterminants pour le bon fonctionnement du système global. Kalergis illustre cette complémentarité par une comparaison parlante : « L’électrolyseur est le cœur de l’installation, le BoP en constitue le système circulatoire. » Cela inclut notamment le traitement de l’eau ainsi que le conditionnement du gaz produit. Le BoP associé à la technologie SOEC constitue un exemple particulièrement prometteur. L’essor de l’intelligence artificielle ouvre ici un potentiel significatif : les data centers, indispensables à ces applications, génèrent d’importantes quantités de chaleur fatale pouvant être valorisées comme chaleur de procédé pour l’électrolyse SOEC. Les températures élevées rencontrées dans les échangeurs thermiques et les enveloppes nécessitent des matériaux résistants au fluage, tels qu’Aperam 309N et 310S ou l’alliage Imphy 625.
En volume de matériaux mis en œuvre, les installations dédiées au traitement et au transport de l’hydrogène dépassent largement les technologies catalytiques elles-mêmes. La liquéfaction, le stockage et le transport de l’hydrogène ne seraient pas envisageables sans des aciers inoxydables austénitiques ni sans l’alliage fer-nickel Invar® M93. Les réservoirs d’hydrogène liquide et les systèmes pipe-in-pipe exigent des matériaux capables de conserver leur résistance mécanique et leur tenue à la corrosion à −253 °C, température d’ébullition de l’hydrogène.
Les principales contraintes communes aux applications hydrogène concernent, d’une part, la perméabilité des matériaux et, d’autre part, la fragilisation induite par l’hydrogène. La corrosion sous contrainte constitue un mécanisme de dégradation particulièrement insidieux : une défaillance peut survenir sans signes précurseurs clairement visibles. Dans ce domaine, la sécurité est prioritaire. La sensibilité à la corrosion sous contrainte dépend étroitement de la composition de l’alliage. Le choix du matériau approprié est donc déterminant, notamment lorsque milieux corrosifs, températures extrêmes et sollicitations cycliques se combinent. Dans ce contexte, Aperam Innovation Lab s’impose comme l’interlocuteur de référence pour les concepteurs et les constructeurs d’installations.
Captage du carbone : levier de transition industrielle
Sur la trajectoire vers la transition hydrogène, l’hydrogène vert fait encore face à de nombreux obstacles : coûts de production élevés, défis techniques liés à la montée en puissance industrielle, insuffisance des infrastructures de stockage et de transport et incertitudes politiques. Dans ce contexte, la production d’hydrogène à partir de gaz naturel devrait demeurer, à court et moyen terme, une réalité industrielle — avec captage du carbone, sous la forme dite d’hydrogène « bleu ». Contrairement à l’hydrogène « gris », pour lequel le carbone issu du gaz naturel est converti en CO₂ puis rejeté dans l’atmosphère, l’hydrogène « bleu » repose sur la capture du dioxyde de carbone. Celui-ci est soit stocké dans des formations géologiques profondes, souvent sous les fonds marins (carbon capture and storage, CCS), soit valorisé comme matière première chimique (carbon capture and usage, CCU).
La capture du CO₂ constitue une étape structurante vers la neutralité carbone.
Trois grandes technologies dominent aujourd’hui. La première est la précombustion, qui consiste à capter le CO₂ avant la combustion du combustible. La deuxième est la postcombustion, dans laquelle le CO₂ est extrait des fumées après combustion. Enfin, le procédé oxyfuel repose sur l’injection d’oxygène pendant la combustion afin d’augmenter la concentration de CO₂ et d’en faciliter la séparation. À ce stade, la majorité des solutions de CCS et de CCU s’appuie sur la postcombustion. Toutefois, la combustion à l’oxygène suscite un intérêt croissant.
Pour cette application, le portefeuille d’Aperam propose une gamme complète de matériaux résistants à la corrosion, à commencer par les nuances standards Aperam 304, 316A et 316L.
En présence de teneurs élevées en chlorures et de sollicitations mécaniques accrues, les nuances duplex — notamment le DX2205 — s’imposent. Dans les zones les plus fortement sollicitées, des alliages à base de nickel issus de la gamme Imphy apportent une marge de sécurité supplémentaire. Dans l’attente de la montée en puissance de l’hydrogène « vert » produit à partir d’énergies renouvelables, les technologies CCS et CCU constituent des solutions pragmatiques pour faire progresser la transition hydrogène de manière techniquement fiable et économiquement viable.
Synergies matériaux et capacités industrielles
Les matériaux du groupe Aperam couvrent l’ensemble des technologies d’électrolyse ainsi que les composants Balance of Plant, la liquéfaction de l’hydrogène et la capture du carbone.
Les ferritiques de la gamme KARA®, notamment K41, K44M et K45, sont établies dans les applications d’électrolyse grâce à leurs bonnes propriétés à haute température, leur faible coefficient de dilatation thermique et leur conductivité électrique élevée. Dans ce marché, l’offre d’aciers inoxydables austénitiques s’étend d’Aperam 304M et 316L à la nuance 316A, jusqu’aux nuances 309N, 310S et au super-austénitique 904L. Les applications soumises à de fortes contraintes mécaniques et corrosives s’orientent vers des nuances duplex telles que le DX2205. L’ensemble est complété par les alliages Imphy INVAR® M93, Nickel 625, 825 et 201.
Les formats proposés vont de la bande de précision à la tôle épaisse. L’inox est également décliné en barres plates ou en tubes, tandis que les alliages se présentent dans une large variété de produits plats et longs. Le groupe dispose d’une solide expérience dans le domaine des revêtements et des surfaces fonctionnelles. Aperam Innovation Lab met ses capacités d’essais et d’expertise au service de développements menés en étroite collaboration avec ses clients. En partenariat avec ces derniers, de nouvelles conceptions et des composants plus minces sont développés grâce à des techniques de formage avancées, tout en préservant — voire en améliorant — leur durabilité et leurs performances.
Les installations dédiées à la réduction des émissions de CO₂ devraient elles-mêmes être conçues à partir de matériaux à faible empreinte carbone. Les nuances inox standards sont également proposées dans une version contenant jusqu’à 98 % de matières recyclées — la gamme Aperam infinite™. Les transformateurs peuvent s’appuyer sur Aperam Recycling (ex ELG) pour la valorisation de leurs déchets de production, contribuant ainsi à refermer efficacement le cycle matière. Les constructeurs d’installations et les fabricants de composants bénéficient, au sein du groupe Aperam, d’une infrastructure intégrée de centres de services, disposant de stocks étendus et d’une logistique réactive, y compris pour des besoins à court terme. L’outil en ligne e-aperam permet de vérifier la disponibilité des produits et de passer commande à tout moment.
Les transformateurs actifs dans les technologies hydrogène, ou souhaitant se positionner dans la fabrication de composants, trouvent chez Aperam des interlocuteurs dédiés. En tant qu’expert des applications hydrogène, Kalergis précise : « Aperam Innovation Lab regroupe 150 collaborateurs. Les clients et partenaires qui souhaitent bénéficier d’un conseil matériaux ou d’un accompagnement technico-scientifique peuvent me contacter, ou s’adresser à Ralf Behle, afin de mobiliser notre réseau R&D sur les sujets liés à l’électrolyse de l’hydrogène et à la capture du carbone. »
L’expertise crée de la valeur. Aperam la met au service de ses clients.
Article publié dans le magasine FocusRostrei – February 2026
