L’hydrogène vert : la clé pour un avenir énergétique durable ?

Une équipe de chercheurs de la Faculté des Sciences et du Génie des Matériaux du Technion en Israël présente une technologie innovante pour la production d’hydrogène vert à partir d’énergies renouvelables. Cette technologie pourrait réduire les coûts et accélérer l’utilisation de l’hydrogène vert comme alternative propre et durable aux combustibles fossiles.

L’utilisation de l’hydrogène comme carburant au lieu du charbon, de l’essence et du gaz naturel pourrait réduire l’utilisation de ces combustibles et les émissions de gaz à effet de serre provenant de diverses sources, dont le transport, la production de matériaux et de produits chimiques, et le chauffage industriel. Contrairement à ces combustibles, qui émettent du dioxyde de carbone dans l’atmosphère lorsqu’ils brûlent dans l’air, l’utilisation de l’hydrogène produit de l’eau et est donc considérée comme un carburant propre.

La méthode la plus courante de production d’hydrogène implique l’utilisation de gaz naturel (ou de charbon) et le processus émet de grandes quantités de dioxyde de carbone dans l’atmosphère – annulant ainsi ses avantages en tant qu’alternative verte et durable aux combustibles fossiles.

En 2022, la consommation mondiale d’hydrogène s’élevait à environ 95 millions de tonnes – une quantité adaptée pour améliorer divers produits de carburant, et surtout pour produire de l’ammoniac, nécessaire à la fabrication d’engrais agricoles. Pratiquement tout l’hydrogène consommé aujourd’hui est produit à partir de combustibles fossiles, c’est pourquoi on l’appelle «hydrogène gris» (fabriqué à partir de méthane) ou « hydrogène noir » (fabriqué à partir de charbon).

La production d’hydrogène par ces méthodes est responsable d’environ 2,5% des émissions annuelles mondiales de dioxyde de carbone dans l’atmosphère résultant des activités humaines. Remplacer l’hydrogène gris par de l’hydrogène vert s’avère nécessaire pour réduire cette source significative d’émissions et remplacer les combustibles fossiles polluants par de l’hydrogène propre et durable.

La production d’hydrogène vert : un défi technologique

L’hydrogène vert est produit par électrolyse – décomposition électrochimique de l’eau en oxygène et hydrogène à l’aide d’énergie provenant de sources renouvelables telles que le vent et le soleil. L’électrolyse a été découverte il y a plus de 200 ans, et depuis lors, elle a subi de nombreux développements et améliorations. Elle reste encore trop coûteuse pour produire de l’hydrogène vert à un prix compétitif.

L’un des défis technologiques qui limitent l’utilisation de l’électrolyse pour produire de grandes quantités d’hydrogène vert – des quantités qui aideraient à atteindre les plans visant à atteindre zéro émission de carbone – est le besoin de membranes coûteuses, de joints et de composants d’étanchéité pour séparer les compartiments cathodiques et anodiques.

Il y a plusieurs années, des chercheurs du Technion ont présenté une technique d’électrolyse innovante et efficace qui ne nécessite pas de membrane et d’étanchéité pour séparer les deux parties de la cellule, puisque l’hydrogène et l’oxygène sont produits à différents stades du processus, contrairement à l’électrolyse régulière où ils sont créés simultanément.

Ce processus novateur, appelé E-TAC, a été développé par le Dr Hen Dotan et le Dr Avigail Landman sous la supervision du Prof. Avner Rothschild et du Prof. Gideon Grader. Ils se sont associés à l’entrepreneur Talmon Marco pour réaliser le potentiel du processus et développer des applications commerciales.

Les détails de la nouvelle technologie

Les chercheurs du groupe du Prof. Rothschild au Technion présentent maintenant un nouveau processus dans lequel l’hydrogène et l’oxygène sont produits simultanément dans deux cellules séparées, contrairement au processus E-TAC où ils sont produits dans la même cellule mais à différents stades. Le nouveau processus a été développé par Ilia Slobodkin dans le cadre de sa thèse de maîtrise, avec l’aide de la chercheuse senior Dr. Elena Davydova et du Dr. Anna Breytus et de l’étudiant en maîtrise Matan Sananis.

Ce nouveau processus contourne les défis opérationnels et les limitations de l’électrode solide où l’oxygène est produit dans la technique E-TAC en la remplaçant par un électrolyte aqueux NaBr dans l’eau. Ce remplacement ouvre la voie à un processus continu (contrairement à un processus par lots avec E-TAC) et supprime le besoin de faire circuler alternativement des électrolytes froids et chauds à travers la cellule.

Les anions bromure dans l’électrolyte sont oxydés en bromate tout en produisant de l’hydrogène dans une cathode, puis ils s’écoulent avec l’électrolyte aqueux vers une autre cellule, où ils sont ramenés à leur état d’origine tout en produisant simultanément de l’oxygène, et ce processus se répète. De cette façon, l’hydrogène et l’oxygène sont produits en même temps dans deux cellules séparées dans un processus continu sans changements de température, contrairement à E-TAC.

De plus, l’oxygène est produit dans l’électrolyte aqueux et non dans l’électrode solide comme dans E-TAC, et il n’est donc pas dépendant des limitations de taux et de capacité typiques de ces types d’électrodes, comme les batteries rechargeables.

Dans l’article publié dans Nature Materials, les chercheurs décrivent leurs expériences de base qui prouvent la faisabilité préliminaire du processus proposé, et présentent des résultats qui démontrent son efficacité élevée et sa capacité à fonctionner à un courant électrique élevé, ce qui signifie que l’hydrogène peut être produit à un taux élevé.

En même temps, il reste encore un long chemin à parcourir pour développer une nouvelle technologie basée sur la percée scientifique décrite dans l’article. Une telle technologie est susceptible de surmonter les nombreux obstacles sur la voie de la production industrielle d’hydrogène vert comme alternative durable aux combustibles fossiles.

En synthèse

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que l’hydrogène vert ?

L’hydrogène vert est un type d’hydrogène produit par électrolyse de l’eau à l’aide d’énergie provenant de sources renouvelables, comme le vent et le soleil.

Pourquoi l’hydrogène vert est-il important ?

L’hydrogène vert est considéré comme une alternative propre et durable aux combustibles fossiles. Il peut aider à réduire les émissions de gaz à effet de serre et à lutter contre le changement climatique.

Quels sont les défis de la production d’hydrogène vert ?

La production d’hydrogène vert est actuellement coûteuse et techniquement complexe. Elle nécessite des matériaux coûteux et des processus d’électrolyse efficaces.

Quelle est la nouvelle technologie développée par les chercheurs du Technion ?

Les chercheurs du Technion ont développé une nouvelle méthode d’électrolyse qui permet de produire de l’hydrogène et de l’oxygène dans deux cellules séparées. Cette méthode pourrait rendre la production d’hydrogène vert plus efficace et moins coûteuse.

Quels sont les prochains défis pour cette technologie ?

La technologie doit encore être développée à une échelle industrielle. De plus, il reste à démontrer sa viabilité économique et sa durabilité à long terme.

Références

Article : « Electrochemical and chemical cycle for high-efficiency decoupled water splitting in a near-neutral electrolyte » – DOI: 10.1038/s41563-023-01767-y