L’hydrogène a le potentiel d’être un combustible respectueux du climat, car il ne libère pas de dioxyde de carbone lorsqu’il est utilisé comme source d’énergie. Cependant, à l’heure actuelle, la plupart des méthodes de production d’hydrogène impliquent l’utilisation de combustibles fossiles, ce qui rend l’hydrogène moins « vert » sur l’ensemble de son cycle de vie.
Un nouveau procédé mis au point par des ingénieurs du MIT pourrait réduire considérablement l’empreinte carbone associée à la production d’hydrogène.
L’année dernière, l’équipe a annoncé qu’elle pouvait produire de l’hydrogène gazeux en combinant de l’eau de mer, des canettes de soda recyclées et de la caféine. La question était alors de savoir si ce procédé de laboratoire pouvait être appliqué à l’échelle industrielle, et à quel coût environnemental.
Les chercheurs ont désormais réalisé une analyse du cycle de vie « du berceau à la tombe », en tenant compte de chaque étape du processus à l’échelle industrielle. Par exemple, l’équipe a calculé les émissions de carbone associées à l’acquisition et au traitement de l’aluminium, à sa réaction avec l’eau de mer pour produire de l’hydrogène, et au transport du carburant vers les stations-service, où les conducteurs peuvent se ravitailler en hydrogène pour alimenter leurs moteurs ou leurs voitures à pile à combustible. Ils ont constaté que, de bout en bout, le nouveau procédé pouvait générer une fraction des émissions de carbone associées à la production conventionnelle d’hydrogène.
Dans une étude publiée dans Cell Reports Sustainability, l’équipe rapporte que pour chaque kilogramme d’hydrogène produit, le processus générerait 1,45 kilogramme de dioxyde de carbone sur l’ensemble de son cycle de vie. En comparaison, les processus basés sur les combustibles fossiles émettent 11 kilogrammes de dioxyde de carbone par kilogramme d’hydrogène produit.
Cette faible empreinte carbone est comparable à celle d’autres technologies « d’hydrogène vert » proposées, telles que celles alimentées par l’énergie solaire et éolienne.
« Nous sommes dans la fourchette de l’hydrogène vert », déclare l’auteur principal Aly Kombargi, titulaire d’un doctorat en génie mécanique obtenu ce printemps au MIT. « Ce travail met en évidence le potentiel de l’aluminium en tant que source d’énergie propre et offre une voie évolutive pour le déploiement d’hydrogène à faibles émissions dans les transports et les systèmes énergétiques éloignés. »
Les coauteurs de l’étude du MIT sont Brooke Bao, Enoch Ellis et le professeur de génie mécanique Douglas Hart.
Bulle de gaz
Plonger une canette en aluminium dans l’eau ne provoque généralement pas de réaction chimique importante. En effet, lorsque l’aluminium est exposé à l’oxygène, il forme instantanément une couche protectrice. Sans cette couche, l’aluminium existe sous sa forme pure et peut facilement réagir lorsqu’il est mélangé à de l’eau. La réaction qui se produit implique des atomes d’aluminium qui brisent efficacement les molécules d’eau, produisant de l’oxyde d’aluminium et de l’hydrogène pur. Et il ne faut pas beaucoup de métal pour produire une quantité importante de gaz.
« L’un des principaux avantages de l’utilisation de l’aluminium est la densité énergétique par unité de volume », précise M. Kombargi. « Avec une très petite quantité de combustible en aluminium, on peut théoriquement fournir une grande partie de l’énergie nécessaire à un véhicule fonctionnant à l’hydrogène. »
L’année dernière, M. Kombargi et M. Hart ont mis au point une méthode de production d’hydrogène à base d’aluminium. Ils ont découvert qu’ils pouvaient percer la couche protectrice naturelle de l’aluminium en le traitant avec une petite quantité de gallium-indium, un alliage de métaux rares qui permet de purifier efficacement l’aluminium. Les chercheurs ont ensuite mélangé des granulés d’aluminium pur avec de l’eau de mer et ont observé que la réaction produisait de l’hydrogène pur. De plus, le sel présent dans l’eau a contribué à précipiter le gallium-indium, que l’équipe a ensuite pu récupérer et réutiliser pour produire davantage d’hydrogène, dans un cycle durable et économique.
« Nous avons expliqué la science de ce processus lors de conférences, et les questions qui nous ont été posées étaient : « Combien cela coûte-t-il ? » et « Quelle est son empreinte carbone ? » », ajoute M. Kombargi. « Nous avons donc voulu examiner le processus de manière exhaustive. »
Un cycle durable
Pour leur nouvelle étude, M. Kombargi et ses collègues ont réalisé une analyse du cycle de vie afin d’estimer l’impact environnemental de la production d’hydrogène à base d’aluminium, à chaque étape du processus, de l’approvisionnement en aluminium au transport de l’hydrogène après sa production. Ils ont entrepris de calculer la quantité de carbone associée à la production d’un kilogramme d’hydrogène, une quantité qu’ils ont choisie comme illustration pratique au niveau du consommateur.
« Avec une voiture à pile à combustible à hydrogène utilisant 1 kilogramme d’hydrogène, vous pouvez parcourir entre 60 et 100 kilomètres, selon l’efficacité de la pile à combustible », note encore M. Kombargi.
Ils ont effectué l’analyse à l’aide d’Earthster, un outil d’évaluation du cycle de vie en ligne qui puise ses données dans une vaste base de données de produits et de processus et leurs émissions de carbone associées. L’équipe a envisagé plusieurs scénarios pour produire de l’hydrogène à partir d’aluminium, en commençant par l’aluminium « primaire » extrait de la terre, par opposition à l’aluminium « secondaire » recyclé à partir de canettes de soda et d’autres produits, et en utilisant diverses méthodes pour transporter l’aluminium et l’hydrogène.
Après avoir réalisé des analyses du cycle de vie pour une douzaine de scénarios, l’équipe a identifié celui qui présentait l’empreinte carbone la plus faible. Ce scénario est axé sur l’aluminium recyclé, une source qui permet de réduire considérablement les émissions par rapport à l’extraction minière, et l’eau de mer, une ressource naturelle qui permet également de réaliser des économies grâce à la récupération du gallium-indium. Ils ont constaté que ce scénario, du début à la fin, générerait environ 1,45 kilogramme de dioxyde de carbone pour chaque kilogramme d’hydrogène produit. Ils ont calculé que le coût du carburant produit serait d’environ 9 dollars par kilogramme, ce qui est comparable au prix de l’hydrogène qui serait produit à l’aide d’autres technologies vertes telles que l’énergie éolienne et solaire.
Les chercheurs envisagent que si le processus à faible émission de carbone était développé à l’échelle commerciale, il ressemblerait à ceci : la chaîne de production commencerait par de l’aluminium de récupération provenant d’un centre de recyclage. L’aluminium serait broyé en granulés et traité avec du gallium-indium. Ensuite, les conducteurs pourraient transporter les granulés prétraités sous forme de « carburant » à base d’aluminium, plutôt que de transporter directement de l’hydrogène, qui est potentiellement volatil. Les granulés seraient transportés vers une station-service idéalement située à proximité d’une source d’eau de mer, qui pourrait ensuite être mélangée à l’aluminium, à la demande, pour produire de l’hydrogène. Le consommateur pourrait alors pomper directement le gaz dans une voiture équipée d’un moteur à combustion interne.
L’ensemble du processus produit un sous-produit à base d’aluminium, la boehmite, un minéral couramment utilisé dans la fabrication de semi-conducteurs, d’éléments électroniques et d’un certain nombre de produits industriels. M. Kombargi explique que si ce sous-produit était récupéré après la production d’hydrogène, il pourrait être vendu aux fabricants, ce qui réduirait encore le coût global du processus.
« Il y a beaucoup de choses à prendre en compte », dit M. Kombargi. « Mais le processus fonctionne, ce qui est le plus excitant. Et nous montrons qu’il peut être durable sur le plan environnemental. »
Le groupe continue de développer le processus. Il a récemment conçu un petit réacteur, de la taille d’une bouteille d’eau, qui utilise des granulés d’aluminium et de l’eau de mer pour produire de l’hydrogène, suffisamment pour alimenter un vélo électrique pendant plusieurs heures. Il avait déjà démontré que le processus pouvait produire suffisamment d’hydrogène pour alimenter une petite voiture. L’équipe explore également des applications sous-marines et conçoit un réacteur à hydrogène qui absorberait l’eau de mer environnante pour alimenter un petit bateau ou un véhicule sous-marin.
Article : « Life-cycle assessment and cost analysis of hydrogen production via aluminum-seawater reactions » – DOI : 10.1016/j.crsus.2025.100407
Source : MIT
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