Le charbon, un polymère naturel pour le stockage de l’hydrogène

Dans l’objectif de développer l’hydrogène comme source d’énergie propre, une équipe de chercheurs aux USA a découvert que le charbon pourrait servir de potentiel réservoir d’hydrogène.

Cette découverte pourrait surmonter un obstacle majeur dans la mise en place d’une chaîne d’approvisionnement en énergie propre.

« Nous avons découvert que le charbon peut être cette batterie géologique d’hydrogène », a déclaré Shimin Liu, professeur associé d’ingénierie énergétique et minérale à l’Université de Penn State. « Vous pourriez injecter et stocker l’énergie de l’hydrogène et l’avoir là quand vous en avez besoin. »

La recherche souligne l’importance de l’hydrogène, un carburant propre, qui présente un potentiel d’utilisation dans les secteurs les plus énergivores de notre économie, tels que les transports, la production d’électricité et la fabrication. Cependant, pour faire de l’hydrogène une source d’énergie abordable et fiable, un certain nombre de défis doivent être surmontés, notamment le développement de moyens efficaces pour stocker l’hydrogène.

Selon les scientifiques, les formations géologiques, notamment le charbon, pourraient fournir une solution à ce problème. Le charbon, qui a été largement étudié et utilisé commercialement pour la production de gaz depuis près d’un demi-siècle, pourrait être un choix logique pour le stockage géologique de l’hydrogène en raison de l’infrastructure existante et de sa capacité à stocker de grandes quantités d’hydrogène.

Pour vérifier cette hypothèse, les chercheurs ont analysé huit types de charbons provenant de différents bassins houillers aux États-Unis pour mieux comprendre leur potentiel de sorption et de diffusion, c’est-à-dire combien d’hydrogène ils peuvent retenir. Ils ont conclu que le charbon bitumineux à faible volatilité de Virginie de l’Est et le charbon anthracite de Pennsylvanie de l’Est se sont révélés les plus performants lors des tests, selon une étude publiée dans la revue Applied Energy.

Les réservoirs de méthane de houille épuisés pourraient être les meilleurs candidats pour le stockage de l’hydrogène. Ces réservoirs contiennent du gaz naturel non conventionnel comme le méthane et sont devenus une source importante d’énergie fossile au cours des dernières décennies.

« Beaucoup de gens définissent le charbon comme une roche, mais c’est vraiment un polymère », a expliqué Liu. « Il a une teneur élevée en carbone avec beaucoup de petits pores qui peuvent stocker beaucoup plus de gaz. Ainsi, le charbon est comme une éponge qui peut contenir beaucoup plus de molécules d’hydrogène par rapport à d’autres matériaux non carbonés. »

Les scientifiques ont conçu un équipement spécial pour mener ces expériences, car le charbon a une affinité plus faible avec l’hydrogène par rapport à d’autres gaz de sorption comme le méthane et le dioxyde de carbone.

« Nous avons conçu un dispositif très innovant et très délicat », a déclaré Liu. « Il nous a fallu des années pour comprendre comment le faire correctement. Nous avons dû concevoir un système expérimental approprié, par essais et erreurs, basé sur notre expérience précédente avec le charbon et les schistes. »

L’équipe de chercheurs a conclu que les charbons anthracite et semi-anthracite sont de bons candidats pour le stockage de l’hydrogène dans les veines de charbon épuisées, tandis que les charbons bitumineux à faible volatilité sont de meilleurs candidats pour les veines de charbon gazeuses.

La mise en place de stockage d’hydrogène dans les communautés minières de charbon pourrait apporter de nouvelles opportunités économiques à ces régions tout en aidant à créer l’infrastructure nationale d’hydrogène.

« Dans la transition énergétique, ce sont vraiment les communautés du charbon qui ont été les plus touchées économiquement », a déclaré Liu. « C’est certainement une opportunité de reconvertir la région du charbon. Ils ont déjà l’expertise — l’ingénierie énergétique et les compétences. Si nous pouvons construire une infrastructure et changer leurs opportunités économiques — je pense que c’est quelque chose que nous devrions considérer. »

Les futurs travaux se concentreront sur la diffusivité dynamique et la perméabilité dynamique du charbon, des caractéristiques qui déterminent la rapidité avec laquelle l’hydrogène peut être injecté et réinjecté, ont déclaré les scientifiques.

« Je pense que l’Université de Penn State est le bon endroit pour faire toute cette recherche — nous avons les réserves de charbon, nous avons du gaz naturel, nous avons à la fois l’expertise en ingénierie et en économie à l’Université », a déclaré Liu. « C’est l’endroit logique pour le faire. »

Légende illustration : Un chercheur de l’État de Pennsylvanie tient un gros morceau de charbon. Selon des chercheurs, le charbon pourrait constituer un moyen de stocker l’hydrogène gazeux, de la même manière que les batteries stockent l’énergie en vue d’une utilisation ultérieure, ce qui permettrait de lever un obstacle majeur au développement d’une chaîne d’approvisionnement en énergie propre. Crédit Penn State