L’hydrogène est utilisé dans de nombreux secteurs industriels. Il est également considéré comme un vecteur énergétique clé pour le stockage de l’énergie, en particulier dans la chaîne de conversion et de stockage des énergies renouvelables intermittentes, ainsi que pour les piles à combustible.
Mais les moyens de production actuellement mis en œuvre nécessitent de fortes sources d’énergie et émetteurs de gaz à effet de serre : l’hydrogène est très majoritairement produit par reformage de méthane/gaz naturel et la voie de production par l’électrolyse de l’eau nécessite de grandes quantités d’électricité.
Au CEA Iramis et au CEA Liten, différentes équipes cherchent à développer des matériaux et des procédés qui permettront de réaliser l’électrolyse de l’eau avec un rendement qui donnera à l’hydrogène sa place dans le marché de l’énergie à des coûts acceptables.
De la rouille, du soleil et de l’eau pour produire de l’hydrogène
La photo-électrolyse de l’eau est un procédé permettant, à partir d’énergie solaire, de séparer les composés élémentaires de l’eau que sont l’hydrogène et l’oxygène en utilisant un semi-conducteur aux propriétés physiques adaptées.
Depuis quatre ans, des chimistes du CEA Iramis utilisent leur expertise dans la croissance de films minces d’oxydes pour élaborer des matériaux modèles capables de convertir l’énergie solaire en hydrogène. Ils comptent optimiser les propriétés d’un semi-conducteur qui joue le rôle d’anode dans un processus de production d’hydrogène par photo-électrolyse de l’eau.
Ils utilisent les techniques de caractérisation les plus avancées, notamment le rayonnement synchrotron, pour étudier des échantillons modèles monocristallins d’hématite. Ce minerai naturel est un des matériaux les plus intéressants en tant que photo-anode pour la photo-électrolyse de l’eau : il est peu coûteux, extrêmement abondant sur Terre, stable et non polluant.
Les scientifiques ont voulu déterminer les paramètres pertinents pour améliorer la photo-électrolyse de l’eau par une électrode en hématite. Ils ont donc fabriqué et étudié des monocristaux de différentes épaisseurs (au maximum 50 nanomètres) contenant différents dopages en titane (quelques pourcents). Ils en ont mesuré les propriétés photoélectriques et ont obtenu, pour certaines combinaisons, un gain d’un facteur 100 du photo-courant et une augmentation de la longueur de diffusion des porteurs de charges.
Ces travaux ont fait l’objet d’une publication dans le Journal of Physical Chemistry, en janvier 2014.
[ De gauche à droite : source lumineuse (ampoule à Xénon), système de refroidissement, monochromateur utilisé pour les mesures d’efficacité de conversions de l’énergie lumineuse en électricité, la cellule contenant l’échantillon à étudier dans une solution aqueuse où se fait la réaction, (c) M. Rioult/CEA ]
L’électrolyseur compact est efficace à 90 %
Le CEA Liten a validé en décembre 2014 un système de production d’hydrogène par électrolyse de la vapeur d’eau à haute température qui présente un rendement supérieur à 90%. Il ouvre de nouvelles voies aux marchés de l’hydrogène industriel et de l’hydrogène énergie.
Les différents procédés d’électrolyse de l’eau se distinguent essentiellement par leur température de fonctionnement qui conditionne la quantité d’électricité à apporter pour dissocier la molécule d’eau. Les équipes du Liten ont mis au point un système électrolyseur à 700°C produisant de l’hydrogène à partir de vapeur à 150°C et d’électricité avec une consommation électrique de 3,9 kWh/Nm3 (1) d’hydrogène.
Le système intègre un « stack » (empilement de cellules, cœur de la réaction de production d’hydrogène) performant et optimisé en terme de coût, ainsi que les composants auxiliaires nécessaires à la gestion fluidique, thermique et électrique du système, de manière à le rendre autonome. Le système complet est compact, approximativement de la taille d’un réfrigérateur. Il permet de produire entre 1 et 2,5 Nm3 d’hydrogène par heure. La chaleur des gaz de sortie est récupérée pour préchauffer les gaz d’entrée grâce à des échangeurs thermiques haute température performants lorsque le système fonctionne en mode légèrement exothermique. Le rendement du système est supérieur à 90 %.
(1) Unité Nm3 : Il s’agit de ‘normaux mètres-cube’. Les gaz étant compressibles le volume de matière peut changer en fonction de la température et de la pression. ‘10 normaux mètres-cube’ correspondent à 10 m3 de gaz à 0°C et à une pression de 1 bar (pression atmosphérique).
la production d’H2 devient plus efficace, l’industrie du H2 se Développe, merci le CEA.
Pour la rouille, il y a aussi ce projet malgache, moins couteux et plutôt sympa : C’est de production d’électricité qu’il est question ici.. Messieurs du CEA, l’électricité n’est elle pas plus utile que le papier ? Pour l’électrolyse sous pression, bravo le CEA mais le projet ne semble toujours pas plus avancé alors qu’il faudrait proposer des solutions plutôt que des énigmes.. Au final : Le CEA semble actif sur la production d’hydrogène bien que cantonné dans son rôle strictement consultatif, le problème tient plutôt à la nomenclature française qu’à la qualité des cerveaux et de sa recherche. En essayant de décrypter le communiqué , on peut lire que le procédé a la taille d’un frigo et produit 1 à 2.5 m3/h. Corrélé aux autre infos distillées dans le texte on peut déduire que le « frigo » va consommer entre 3.9 et 9.75 kw pour produire un kg d’HH en 5 heures soit un plein de FCV par jour.. Compte tenu de la taille de l’engin et du nombre de frigos qu’on peut charger sur un camion, c’est plutôt encourageant pour installer des stations hydrogène mais il serait vraiment urgent de développer des démonstrateurs et si pôssible au moins un dans le secteur de l’hydrogène énergie puisque le marché se développe actuellement. Qui va faire ce travail d’intégration ? Si personne ne bouge pour cause de blocages politiques, autant ne rien faire du tout et employer les ressources du CEA là où on a besoin de recherche fondamentale ennuyeuse plutôt que faire saliver les lecteurs de sites consacrés à l’ENERGIE !!!!!!! Merci de votre attention