Une collaboration menée par l’Université Cornell (USA) a atteint le tiercé gagnant en matière de technologie de durabilité : Le groupe a mis au point une méthode peu coûteuse pour produire de l’hydrogène « vert » sans carbone par électrolyse de l’eau de mer alimentée par l’énergie solaire. Un heureux sous-produit du processus ? De l’eau potable.
Le dispositif hybride de distillation solaire et d’électrolyse de l’eau (HSD-WE) de l’équipe, dont les résultats ont été publiés le 9 avril dans Energy and Environmental Science, produit actuellement 200 millilitres d’hydrogène par heure avec un rendement énergétique de 12,6 %, directement à partir de l’eau de mer, sous la lumière naturelle du soleil. Les chercheurs estiment que d’ici 15 ans, cette technologie pourrait réduire le coût de la production d’hydrogène vert à 1 dollar par kilogramme – une étape clé pour parvenir à des émissions nettes nulles d’ici 2050.
« L’eau et l’énergie sont toutes deux indispensables à notre vie quotidienne, mais en général, pour produire plus d’énergie, il faut consommer plus d’eau », indique Lenan Zhang, professeur adjoint à l’École Sibley d’ingénierie mécanique et aérospatiale de Cornell Engineering, qui a dirigé le projet. « D’un autre côté, nous avons besoin d’eau potable, car les deux tiers de la population mondiale sont confrontés à une pénurie d’eau. Il y a donc un goulot d’étranglement dans la production d’hydrogène vert, et cela se reflète dans le coût ».
L’hydrogène vert est produit en divisant les molécules d’eau « très pure » – c’est-à-dire déionisée – en hydrogène et en oxygène par électrolyse. Le coût élevé est dû à la quantité massive d’eau propre nécessaire au processus ; le coût de fabrication de l’hydrogène vert peut être environ 10 fois plus élevé que celui de l’hydrogène ordinaire.
« C’est la raison pour laquelle nous avons imaginé cette technologie », a déclaré M. Zhang. « Nous nous sommes demandé quelle était la ressource la plus abondante sur Terre. Le soleil et l’eau de mer sont des ressources infinies et gratuites ».
En tant que chercheur à l’Institut de technologie du Massachusetts, M. Zhang a commencé à explorer les moyens d’utiliser l’énergie solaire pour convertir l’eau de mer en eau potable par dessalement thermique – un effort salué par le magazine Time comme l’une des « meilleures inventions de 2023 ». Lorsque Zhang est arrivé à Cornell en 2024, il avait reçu le soutien de la National Science Foundation pour développer la technologie afin de produire de l’hydrogène vert.
En collaboration avec des chercheurs du MIT, de l’université Johns Hopkins et de l’université d’État du Michigan, l’équipe de M. Zhang a conçu un prototype de 10 centimètres sur 10 centimètres qui exploite l’un des inconvénients des cellules photovoltaïques : leur efficacité relativement faible. La plupart des cellules photovoltaïques ne peuvent convertir qu’environ 30 % de l’énergie solaire en électricité, le reste se dissipant sous forme de chaleur perdue. Le dispositif mis au point par l’équipe est toutefois capable d’exploiter la majeure partie de cette chaleur résiduelle et de l’utiliser pour réchauffer l’eau de mer jusqu’à ce qu’elle s’évapore.
« En fait, la lumière solaire de courte longueur d’onde interagit avec la cellule solaire pour produire de l’électricité, et la lumière de plus grande longueur d’onde génère la chaleur résiduelle qui alimente la distillation de l’eau de mer », précise M. Zhang. « De cette manière, toute l’énergie solaire peut être utilisée. Rien n’est gaspillé. »
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Pour que l’évaporation thermique interfaciale se produise, il existe un composant essentiel, appelé mèche capillaire, qui piège l’eau dans un film mince en contact direct avec le panneau solaire. Ainsi, il suffit de chauffer la fine pellicule plutôt qu’un grand volume d’eau, et l’efficacité de l’évaporation est portée à plus de 90 %. Une fois l’eau de mer évaporée, le sel reste sur place et la vapeur dessalée se condense en eau propre, qui passe par un électrolyseur qui sépare les molécules d’eau en hydrogène et en oxygène.
« Il s’agit d’une technologie hautement intégrée. La conception a été difficile car il y a beaucoup de couplages complexes : le dessalement couplé à l’électrolyse, l’électrolyse couplée au panneau solaire, et le panneau solaire couplé au dessalement par le biais de la conversion et du transport de l’énergie solaire, électrique, chimique et thermique », a ajouté M. Zhang. « Aujourd’hui, pour la première fois, nous pouvons produire une quantité d’eau suffisante pour répondre à la demande de production d’hydrogène. De plus, nous disposons d’une quantité supplémentaire d’eau pour la boisson. Une pierre deux coups ».
Selon M. Zhang, le coût actuel de la production d’hydrogène vert est d’environ 10 dollars par kilogramme, mais compte tenu de l’abondance de la lumière du soleil et de l’eau de mer, le dispositif mis au point par son équipe pourrait, sur une période de 15 ans, ramener le coût à 1 dollar par kilogramme. M. Zhang envisage également la possibilité d’intégrer cette technologie dans les fermes solaires pour refroidir les panneaux photovoltaïques, ce qui améliorerait leur efficacité et prolongerait leur durée de vie.
« Nous voulons éviter les émissions de carbone et la pollution. Mais en même temps, nous nous préoccupons aussi du coût, car plus le coût est bas, plus le potentiel du marché pour une adoption à grande échelle est élevé », a-t-il conclu. « Nous pensons qu’il existe un énorme potentiel pour les installations futures. ».
Légende illustration : Une équipe dirigée par Cornell a construit un prototype de 10 centimètres sur 10 centimètres qui produit de l’hydrogène « vert » sans carbone par électrolyse solaire de l’eau de mer, avec un sous-produit important : de l’eau potable.
Article : « Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater »- DOI : 10.1039/d4ee06203e
L’auteur principal de l’article est Xuanjie Wang, de l’université de Lehigh. Les coauteurs sont Yipu Wang, doctorant, M.S. ’24, Jintong Gao, chercheur postdoctoral, Yayuan Liu, de l’université Johns Hopkins, et Xinyue Liu, de l’université d’État du Michigan.
