Un catalyseur de craquage de l’eau produit de l’hydrogène à basse température

Les recherches de l’Université de Birmingham, publiées aujourd’hui, montrent une nouvelle méthode à basse température pour produire de l’hydrogène, adaptée à la fois à la production centralisée d’hydrogène et à la production locale utilisant la chaleur perdue des grandes installations industrielles. 

L’hydrogène est l’élément le plus abondant de l’univers et constitue un vecteur énergétique propre et respectueux de l’environnement. Contrairement aux combustibles fossiles, qui produisent des émissions nocives et du dioxyde de carbone, il ne produit que de la chaleur et de l’eau lors de sa combustion et peut également alimenter des piles à combustible produisant de l’électricité. Mais bien que l’hydrogène soit sans carbone au point d’utilisation, 95 % de la production actuelle repose sur les combustibles fossiles. 

Le craquage thermochimique, où un catalyseur sépare l’eau en hydrogène et oxygène, émerge comme une méthode prometteuse pour la production d’hydrogène. Cependant, les catalyseurs actuels séparent l’eau à 700-1000^oC et nécessitent des températures entre 1300 et 1500^oC pour se régénérer entre les cycles de séparation de l’eau. 

Des scientifiques dirigés par le professeur Yulong Ding de la School of Chemical Engineering de l’université ont démontré qu’il est possible de réduire la température de 500^oC en utilisant un catalyseur à base de pérovskite. 

Leurs recherches, publiées dans le International Journal of Hydrogen Energy, ont montré que le catalyseur peut produire des rendements substantiels d’hydrogène dans une plage de température de 150-500^oC et se régénérer à des températures comprises entre 700 et 1000^oC.  

Le professeur Ding a déclaré : « La température globale plus basse du processus pourrait permettre de produire de l’hydrogène à proximité des installations de production d’énergie renouvelable, et les secteurs industriels de base tels que l’acier, le ciment, le verre et les produits chimiques disposent d’une abondance de chaleur perdue, qui pourrait être exploitée comme apport de chaleur pour la production d’hydrogène à basse température. Si l’hydrogène est utilisé localement, cela permettrait de surmonter les obstacles liés au stockage et au transport, permettant ainsi l’adoption du carburant hydrogène sans nécessiter d’infrastructures coûteuses. »

Une analyse préliminaire de compétitivité des coûts a montré que le craquage de l’eau avec le catalyseur pérovskite peut fournir de l’hydrogène à un coût inférieur à celui de l’hydrogène vert (produit à partir de l’eau par électrolyse) ou de l’hydrogène bleu (produit à partir du méthane avec captage et stockage du carbone). L’avantage de coût était le plus prononcé dans les régions où les tarifs des énergies renouvelables sont bas, comme l’Australie.

La recherche a été menée en collaboration avec l’Université des sciences et technologies de Beijing (USTB) et est en cours de commercialisation au Royaume-Uni et en Europe par l’Université de Birmingham. University of Birmingham Enterprise a déposé une demande de brevet couvrant l’utilisation des catalyseurs BNCF pour le craquage de l’eau à basse température et recherche actuellement des partenaires de développement pour faire progresser cette approche prometteuse. 

Pourquoi le craquage thermochimique ?

L’hydrogène est l’élément le plus abondant de l’univers mais est relativement rare sur Terre sous forme de gaz hydrogène pur. On le trouve principalement lié à d’autres molécules, le plus souvent l’eau et les hydrocarbures comme le gaz naturel contenant principalement du méthane, le charbon ou le pétrole. Ces molécules doivent être séparées en leurs constituants pour produire de l’hydrogène. 

La méthode la plus utilisée pour la production d’hydrogène implique le craquage du méthane par reformage à la vapeur. Cela représente près de la moitié du H₂ produit aujourd’hui, mais produit du CO₂ comme sous-produit, ce qui compromet son potentiel en tant que source d’énergie sans carbone, à moins d’être couplé à un captage et stockage du carbone. L’électrolyse est une méthode plus verte de production de H₂, mais elle est en concurrence avec l’hydrogène moins cher généré par le craquage du méthane, et ne fournit par conséquent qu’environ 4 % du H₂ fourni. Les méthodes photoniques utilisent la lumière pour piloter la conversion chimique de l’eau en hydrogène, mais elles en sont à leurs balbutiements et sont confrontées à des défis importants en termes d’efficacité, d’évolutivité et de rentabilité.

À propos du catalyseur pérovskite

Les pérovskites sont des matériaux en forme de treillis qui peuvent absorber les molécules d’oxygène dans leur structure et séparer les molécules contenant de l’oxygène en leurs constituants.  

Bien que les pérovskites existent sous de nombreuses formes, les chercheurs se sont concentrés sur celles fabriquées à partir de baryum, niobium, calcium et fer (pérovskites BNCF), qui sont facilement disponibles, ne nécessitent pas de synthèse complexe et ne contiennent pas d’ingrédients toxiques. 

Leurs recherches ont démontré que les pérovskites BNCF acceptent l’oxygène dans leurs structures à des températures sensiblement plus basses qu’on ne le pensait auparavant. Une pérovskite appelée BNCF100 s’est avérée être la formulation optimale, et l’étude a confirmé que le catalyseur peut être régénéré à des températures plus basses que les catalyseurs de craquage de l’eau actuels et conserve sa capacité à produire de l’hydrogène sur 10 cycles de production. La diffraction des rayons X a montré peu de signes de changement structurel dans le catalyseur tout au long.

Le professeur Ding a déclaré : « Nos recherches ont révélé un catalyseur capable de produire des rendements substantiels d’hydrogène à des températures relativement basses, et une étude technico-économique préliminaire montre qu’il est rentable par rapport aux voies établies de production d’hydrogène bleu et vert. »

Article : Remarkable thermochemical water-splitting on Ba2Ca0.66Nb1.34-xFexO6-δ perovskites at medium temperatures for hydrogen production – Journal : International Journal of Hydrogen Energy – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Birmingham U.