Du bicarbonate pour stocker l’hydrogène : une solution inattendue

Dans un monde où les températures ne cessent de s’élever, il est impératif d’exiger que nos sources d’énergie émettent zéro ou presque zéro carbone. Il est ainsi crucial d’aller au-delà du charbon, du pétrole et du gaz naturel, en misant davantage sur les énergies renouvelables.

Le vecteur énergétique renouvelable le plus prometteur est l’hydrogène propre, qui est produit sans recourir aux combustibles fossiles.

C’est une idée porteuse, car l’hydrogène, l’élément le plus abondant dans l’univers, représente 75% de toute la matière. De plus, une molécule d’hydrogène est constituée de deux atomes jumelés – des « jumeaux Gémeaux » non-toxiques et hautement combustibles.

Le potentiel combustible de l’hydrogène en fait un sujet d’étude séduisant pour les chercheurs en énergie à travers le monde.

Au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), une équipe étudie l’hydrogène comme moyen de stocker et de libérer de l’énergie, principalement en rompant ses liaisons chimiques. Une grande partie de leur travail est liée au consortium de recherche avancée sur les matériaux à base d’hydrogène (HyMARC) du département de l’Énergie (DOE).

Le stockage de l’hydrogène n’est pas encore optimal

L’une des principales recherches menées au PNNL concerne l’optimisation du stockage de l’hydrogène, une problématique récalcitrante. À ce jour, il n’existe pas de moyen totalement sûr, rentable et économe en énergie pour stocker de l’hydrogène à grande échelle.

Les chercheurs du PNNL ont récemment co-écrit un article explorant une solution à base de bicarbonate de soude comme moyen de stocker l’hydrogène. Cette étude a déjà suscité beaucoup d’intérêt.

Les deux principaux auteurs de cet article sont le chimiste et membre du laboratoire PNNL Thomas Autrey et son collègue Oliver Gutiérrez, expert en accélération et en rentabilisation des réactions chimiques.

« Il faut être un peu créatif, » a déclaré Thomas Autrey, amusé par l’idée que le bicarbonate de soude, un produit courant, bon marché et doux, puisse être une réponse potentielle à un gros problème. « Tous les produits chimiques ne seront pas efficaces pour stocker l’hydrogène. Il faut travailler avec ce que Mère Nature nous donne. »

L’hydrogène propre pour les besoins énergétiques à long terme

Les chercheurs considèrent que le stockage d’énergie à long terme est la clé de l’avenir de l’hydrogène en tant que vecteur d’énergie renouvelable.

La technologie actuelle des batteries est conçue pour un stockage de quelques heures. Dans un réseau d’énergie renouvelable, les batteries peuvent gérer environ 80% des besoins de stockage.

Mais « les 20% restants nécessiteront des approches uniques, » a précisé Thomas Autrey. Nous voudrons stocker l’énergie excédentaire pour être préparés à la Dunkelflaute. »

Il s’agit d’un terme allemand qui décrit les conditions sans suffisamment de potentiel d’énergie solaire et éolienne. Pendant les périodes sombres et sans vent de Dunkelflaute, les réseaux ont besoin d’un moyen de stocker de l’énergie pendant plus que quelques heures.

La capacité de stockage saisonnier est l’un des attraits de l’hydrogène. De plus, le fait que le stockage de l’hydrogène puisse se faire n’importe où – qu’il soit « agnostique géographiquement, » comme disent les experts. Par exemple, l’hydroélectricité nécessite des différences d’altitude pour stocker de l’eau excédentaire pour produire de l’énergie. Le stockage de l’hydrogène ne nécessite aucune condition particulière liée à la géographie.

De plus, a déclaré Thomas Autrey, à mesure que les échelles augmentent, l’hydrogène devient plus économique. Il est moins cher d’acheter quelques réservoirs de stockage d’hydrogène supplémentaires que d’acheter beaucoup de batteries.

Trouver la meilleure façon de stocker l’hydrogène

L’hydrogène propre a un grand potentiel en tant que source d’énergie. Un processus appelé électrolyse peut, par exemple, décomposer l’eau en hydrogène et en oxygène. Dans le meilleur des cas, l’énergie pour l’électrolyse proviendrait de sources d’énergie renouvelables, y compris solaires, éoliennes et géothermiques.

Cependant, il reste un défi tenace : produire de l’hydrogène à moindre coût.

Pour y remédier, le ministère de l’énergie a annoncé en 2021 son initiative Energy Earthshots, une série de six mesures visant à soutenir les percées dans le domaine des technologies énergétiques propres. La première étape a été l’Hydrogen Shot, qui vise à réduire le coût de l’hydrogène de 5 à 1 dollar par kilogramme en dix ans, soit une réduction de 80 %.

Au-delà de la réduction des coûts de production de l’hydrogène propre, « il faut trouver comment le transporter et le stocker, » a déclaré Autrey, des étapes qui peuvent faire remonter les prix.

Mais il est difficile de trouver le support idéal pour le stockage de l’hydrogène.

L’hydrogène peut être comprimé en gaz, mais cela nécessite de très hautes pressions – jusqu’à 10 000 livres par pouce carré. Un réservoir de stockage sûr nécessiterait des parois en acier très épais ou en fibre de carbone de qualité spatiale.

Et l’hydrogène liquide cryogénique ? C’est un moyen de stockage éprouvé, mais il faut atteindre et maintenir une température très basse (-471 F, ou -279,4 C) ce qui engendre des coûts énergétiques significatifs.

Ce qui semble le plus prometteur, ce sont des molécules liquides, optimisées pour stocker et libérer de l’hydrogène. Jamie Holladay, un expert en énergie durable, a récemment dirigé une recherche dirigée par le PNNL sur des stratégies plus simples et plus efficaces (.pdf) pour liquéfier l’hydrogène.

L’utilisation de tels liquides comme moyen de stockage a l’avantage de maintenir l’infrastructure énergétique existante en place, y compris les pipelines, les camions, les trains et les navires-citernes, a déclaré Oliver Gutierrez.

Le cycle bicarbonate-formiate

Vous voulez faire cuire des biscuits ? Ou stocker de l’énergie sous forme d’hydrogène ? Le bicarbonate de soude pourrait être la solution. Ce sel de sodium du bicarbonate, doux et bon marché, n’est pas toxique et est abondant sur Terre.

Pas exactement du bicarbonate de soude. L’équipe du PNNL étudie les propriétés de stockage de l’énergie hydrogène du cycle bicarbonate-formiate, étudié depuis longtemps. (Le formiate est une molécule organique liquide sûre et douce).

Voici comment cela fonctionne : Les solutions d’ions formiate (hydrogène et dioxyde de carbone) dans l’eau transportent de l’hydrogène à partir du formiate de métal alcalin non corrosif. Les ions réagissent avec l’eau en présence d’un catalyseur. Cette réaction produit de l’hydrogène et des bicarbonates – le « bicarbonate de soude« .

En modifiant légèrement la pression, il est possible d’inverser le cycle bicarbonate-formiate. Cela permet d’activer et de désactiver une solution aqueuse qui peut alternativement stocker ou libérer de l’hydrogène.

Avant le bicarbonate de soude, l’équipe du PNNL chargée du stockage de l’hydrogène a étudié l’éthanol en tant que vecteur organique liquide de l’hydrogène, terme générique utilisé par l’industrie pour désigner les moyens de stockage et de transport. Parallèlement, elle a mis au point un catalyseur qui libère l’hydrogène.

Les catalyseurs sont des additifs de conception qui accélèrent les processus utilisés pour établir et rompre les liaisons chimiques d’une manière efficace sur le plan énergétique.

En mai 2023, pour un projet lié aux efforts du PNNL, l’EERE a accordé à OCOchem de Richland, Washington, un financement de 2,5 millions de dollars sur deux ans pour développer un processus électrochimique qui produit du formiate et de l’acide formique à partir du dioxyde de carbone. Ce procédé permettrait de lier le dioxyde de carbone à l’hydrogène situé dans la liaison chimique emblématique de l’eau, H2O.

Dans le cadre d’un partenariat qui vient de débuter, le PNNL développera des moyens de libérer l’hydrogène des produits OCOchem.

Un stockage de l’hydrogène qui « ressemble à l’eau

Dans le monde de la recherche sur le stockage de l’hydrogène, le cycle bicarbonate-formiate fait parler de lui depuis un certain temps. Après tout, il est basé sur des matériaux abondants, ininflammables et non toxiques.

Le cycle repose sur une solution de stockage aqueuse si douce qu’elle « ressemble à de l’eau« , explique M. Autrey. « On peut éteindre un feu avec« .

Mais pour que les sels de bicarbonate de formiate deviennent un moyen viable de stocker l’énergie de l’hydrogène, les chercheurs doivent encore mettre au point des scénarios économiquement viables. Jusqu’à présent, la technologie ne permet de stocker l’hydrogène qu’à raison de 20 kilogrammes par mètre cube, alors que la norme industrielle pour l’hydrogène liquide est de 70.

Plus fondamentalement, a déclaré M. Autrey, les chercheurs ont besoin de comprendre, au niveau des systèmes, l’électrochimie et la catalyse nécessaires. En termes d’ingénierie, à ce jour, l’idée d’un cycle bicarbonate-formate viable n’a qu’un faible niveau de préparation technique.

« Si nous résolvons les problèmes de catalyse« , a-t-il ajouté, « nous pourrions susciter un réel intérêt« .

Une chose étonnante et brillante

Les solutions salines envisagées par le PNNL ont l’avantage de libérer de l’hydrogène lorsqu’elles réagissent avec l’eau. Elles fonctionnent également à des températures modérées et à des pressions faibles.

En théorie, du moins, comme le décrivent Autrey et Gutiérrez dans leur article de 2023, le cycle bicarbonate-formate représente « une alternative verte réalisable pour le stockage et le transport de l’énergie » à partir de l’hydrogène.

L’idée du bicarbonate de soude est également au cœur de ce que le document 2023 appelle « plusieurs défis scientifiques urgents« .

Il s’agit notamment de savoir comment fabriquer un support de stockage de l’hydrogène à partir du dioxyde de carbone excédentaire capturé. Il est également possible d’utiliser le même support pour stocker les électrons, ce qui ouvre la voie aux piles à combustible à formiate direct.

En outre, les travaux du PNNL pourraient fournir des indications sur la catalyse en phase aqueuse (eau). Pour l’instant, l’équipe du PNNL utilise le palladium comme catalyseur candidat. Elle s’efforce notamment de trouver des moyens de rendre ce métal rare plus stable, plus réutilisable et d’une durée de vie plus longue.

Dans l’ensemble, l’idée du bicarbonate de soude « est cette chose étonnante et brillante » pour le stockage de l’hydrogène, a déclaré M. Autrey. « Ce qui est passionnant, ce sont les possibilités. »