L'hydrogène est considéré comme l'un des vecteurs énergétiques clés pour transformer de manière climatiquement neutre les secteurs de l'industrie et des transports. Selon la Stratégie nationale pour l'hydrogène du gouvernement fédéral, d'ici 2030, dix gigawatts de capacité d'électrolyse devraient être créés rien qu'en Allemagne. Cela couvrirait un tiers à la moitié des besoins nationaux et nécessiterait une échelle presque mythique des capacités actuelles. Alors que beaucoup jugent ce plan totalement irréaliste, l'auteur d'enomyc, Wolfram Hackbarth, voit des opportunités. En effet, bien que la fabrication industrielle des stacks nécessaires soit très complexe, elle peut être rendue économiquement viable dans des pays à coûts salariaux élevés grâce à la numérisation et à l'industrie 4.0.
Les stacks sont au cœur d'un électrolyseur, jouant ainsi un rôle crucial dans la production d'hydrogène. Techniquement, les stacks se composent de plusieurs cellules électrolytiques connectées en série. Chaque cellule contient deux électrodes, une anode et une cathode, ainsi qu'un électrolyte qui conduit les ions. Lorsque l'électrolyseur est en fonctionnement, un courant électrique traverse le stack, décomposant l'eau (H₂O) en ses composants, l'hydrogène (H₂) et l'oxygène (O₂). L'hydrogène est libéré à la cathode, tandis que l'oxygène se forme à l'anode. Les stacks sont essentiels pour l'expansion de la production d'hydrogène, car ils déterminent l'efficacité et la capacité de fonctionnement des électrolyseurs. Grâce à leur conception modulaire, la capacité de production peut être facilement augmentée en ajoutant d'autres cellules. De plus, les stacks doivent être extrêmement durables et efficaces pour produire de l'hydrogène à grande échelle avec des pertes d'énergie minimales. L'industrialisation des stacks pour les électrolyseurs de production d'hydrogène est un processus très complexe, marqué par l'automatisation, les technologies de l'industrie 4.0 (I4.0) et la collaboration interservices. Cependant, la numérisation et l'industrie 4.0 ouvrent de nouvelles perspectives pour rendre la fabrication de ces composants essentiels économiquement viable et durable, même dans des pays à coûts salariaux élevés. L'objectif principal est de rendre la production aussi efficace, automatisée et flexible que possible, ce qui permet de réduire les coûts – une condition nécessaire pour que les sites de production en Europe de l'Ouest puissent rester compétitifs à long terme. En tenant compte des tendances mentionnées, le processus d'industrialisation peut être décrit comme suit.
Cahier des charges et spécifications : Intégration de l'automatisation
Dès l'élaboration du cahier des charges, dans lequel le département de développement définit les exigences techniques, les potentiels d'automatisation futurs et l'intégration des technologies de l'industrie 4.0 devraient être pris en compte. L'ingénierie industrielle veille à ce que la conception du produit soutienne les futurs processus d'automatisation :
- Conception modulaire du produit : Un design modulaire des stacks permet une adaptation flexible des processus de production à différentes exigences. Cela est essentiel pour tirer parti des futurs potentiels d'automatisation et pour réagir rapidement aux nouvelles technologies.
- Scalabilité de la production : Il convient de préciser dès le cahier des charges que les processus de production doivent être conçus de manière scalable, afin de permettre une adaptation facile aux augmentations ou aux baisses soudaines des volumes de production des commandes clients.
- Interfaces pour l'I4.0 : Les systèmes de production doivent être conçus dès le départ pour être compatibles avec des technologies I4.0 telles que des capteurs intelligents, des machines connectées et des plateformes d'analyse de données. Cela garantit que la ligne de production peut suivre le développement futur dans le domaine de la numérisation.
Le cahier des charges précise ces exigences et décrit les détails techniques des approches d'automatisation. C'est également ici que l'intégration, par exemple, de robots de manutention est définie, assurant une manipulation ergonomique et efficace des composants lourds.
Produire de manière connectée avec l'industrie 4.0 et la Smart Factory
La mise en œuvre de l'industrie 4.0 dans le processus de production est un élément clé pour la fabrication économique de stacks dans des pays à coûts salariaux élevés. Grâce à un environnement de production connecté, également appelé Smart Factory, les machines et les processus peuvent être surveillés et optimisés en temps réel. Parmi les points d'approche intéressants, on trouve :
- Lien entre machines et données : En connectant les machines, les robots et les capteurs, toutes les données de production peuvent être capturées et analysées en temps réel. Cela permet une optimisation continue du processus de production et une réaction rapide aux pannes ou aux écarts de qualité.
- Maintenance prédictive : Les capteurs des machines et des robots surveillent en permanence l'état des installations. Cela permet de détecter les besoins de maintenance à un stade précoce et d'éviter les temps d'arrêt imprévus. Cela augmente la disponibilité des installations et réduit les coûts de production.
- Systèmes de production auto-apprenants : Grâce à l'apprentissage automatique et à l'intelligence artificielle, les systèmes de production peuvent analyser en permanence les données et optimiser les processus de manière autonome. Par exemple, les systèmes peuvent déterminer le moment optimal pour les mouvements des robots ou le chemin de production le plus efficace, ou encore interrompre automatiquement des processus en série dans la production et la logistique lorsqu'ils détectent des écarts par rapport aux spécifications, par exemple en ce qui concerne les taux de qualité ou les temps de processus.
Dans la collaboration entre l'ingénierie industrielle et la production, cette interconnexion est mise en œuvre par une planification détaillée et l'intégration des machines et des systèmes informatiques dans le quotidien opérationnel. Cet environnement de production « intelligent » permet des gains d'efficacité significatifs, ce qui rend également la production économique de stacks dans les pays à coûts salariaux élevés d'Europe de l'Ouest possible.
L'automatisation comme clé de l'efficacité
Un autre levier essentiel dans le concept d'industrialisation est l'intégration de solutions d'automatisation. Celles-ci sont particulièrement indispensables dans les pays à coûts salariaux élevés. L'utilisation de technologies robotiques et de robots collaboratifs (cobots) dans la production aide à réduire les coûts de personnel tout en augmentant l'efficacité :
- Robots de manutention : Ces robots peuvent, par exemple, prendre en charge le travail physique lourd en soulevant, positionnant et assemblant précisément des ensembles pesant parfois plus de 50 kilogrammes. L'utilisation de robots industriels réduit considérablement la charge de travail des employés, tout en augmentant le rythme de production.
- Robots collaboratifs (cobots) : Contrairement aux robots industriels traditionnels, les cobots travaillent directement avec les humains. Ils prennent en charge des tâches de soutien, permettant aux opérateurs de se concentrer sur des tâches plus complexes. Ces robots sont flexibles et peuvent être utilisés dans divers domaines de production grâce à leur grande adaptabilité.
- Automatisation flexible : Les solutions d'automatisation doivent être conçues de manière flexible pour pouvoir répondre à différentes variantes de produits et à des fluctuations de la demande. Cela signifie que les robots et les machines doivent pouvoir être rapidement reprogrammés ou reconfigurés pour effectuer différentes tâches.
En étroite collaboration entre le développement, l'ingénierie industrielle et la production, les exigences en matière d'automatisation sont planifiées, mises en œuvre et continuellement optimisées.
Fabrication économique dans des pays à coûts salariaux élevés : durabilité et efficacité
Pour que les stacks pour électrolyseurs puissent être produits de manière économique et durable en Europe de l'Ouest, certaines conditions doivent être remplies.
Tout d'abord, il est nécessaire d'avoir une stratégie d'automatisation claire visant à réduire les coûts de main-d'œuvre, car l'augmentation de l'utilisation des robots et de l'automatisation peut significativement diminuer la part des coûts de personnel dans le coût de production global. Deuxièmement, il faut tirer parti de systèmes de production intelligents qui garantissent une utilisation optimale des ressources telles que l'énergie, les matériaux et le temps de travail. Une production respectueuse des ressources est non seulement rentable, mais réduit également l'empreinte écologique. Une troisième condition est l'utilisation systématique des chaînes de valeur locales. La production régionale réduit les coûts de transport et minimise les risques liés à la chaîne d'approvisionnement. Cela sera un avantage concurrentiel décisif, notamment en période d'incertitudes mondiales, pour exploiter des sites de production durables en Europe de l'Ouest.
Enfin, les pays à coûts salariaux élevés disposent d'un autre atout, car ils possèdent généralement un nombre suffisant de professionnels hautement qualifiés. Grâce à des programmes de formation ciblés, permettant aux employés d'apprendre à utiliser des technologies modernes telles que la robotique, l'automatisation et l'analyse de données, il est possible d'exploiter au mieux le potentiel de cette main-d'œuvre.
La sécurité à long terme de la compétitivité dans les pays à coûts salariaux élevés dépend en grande partie d'une combinaison intelligente d'automatisation, d'efficacité des ressources et d'une main-d'œuvre qualifiée. Dans ce cadre, le développement, l'ingénierie industrielle et la production collaborent étroitement pour aligner les exigences technologiques avec les réalités économiques.
Tendances futures dans la production d'électrolyseurs
Outre les technologies actuelles, plusieurs tendances prometteuses devraient influencer de manière durable l'industrialisation des électrolyseurs.
Ainsi, certaines parties des stacks pourraient à l'avenir être fabriquées par fabrication additive (ou impression 3D). Cela permettrait non seulement d'économiser des matériaux, mais aussi d'accroître la flexibilité et la personnalisation de la production. Un jumeau numérique (digital twin) de la ligne de production peut également être utilisé pour simuler et optimiser virtuellement les processus. De cette manière, les goulets d'étranglement potentiels peuvent être identifiés et éliminés à un stade précoce, avant qu'ils n'affectent la production. Enfin, l'intelligence artificielle et les Big Data devraient également jouer un rôle important. L'utilisation de l'IA et des Big Data permettra d'analyser d'énormes quantités de données provenant du processus de production, contribuant ainsi à améliorer continuellement l'efficacité de la production. Grâce à des analyses prédictives, les flux de production pourront également être anticipés et continuellement améliorés.
L'automatisation et l'I4.0 rendent la production de stacks pérenne – même chez nous
L'industrialisation des stacks pour électrolyseurs destinés à la production d'hydrogène nécessite une planification holistique, prenant en compte à la fois les développements technologiques actuels et les tendances futures. Une collaboration étroite entre le développement, l'ingénierie industrielle et la production est essentielle pour concevoir des processus de production économiquement viables et durables. Grâce à une utilisation ciblée des technologies d'automatisation et de l'industrie 4.0, il est possible de maintenir une production compétitive et durable même dans les pays à hauts salaires. L'intégration de systèmes de production intelligents et l'utilisation de robots constituent des stratégies clés pour réduire les coûts, augmenter l'efficacité et alléger la charge de travail des employés.
