Zero-Gap : quand les déchets deviennent l’or vert de demain

La quête pour des sources d’énergie propres et durables se heurte à des obstacles techniques et économiques. Parmi les solutions envisagées, la production d’hydrogène à partir de déchets organiques grâce à des cellules bio-électrochimiques promet une réduction des émissions de CO2, mais rencontre des difficultés dans leurs applications à grande échelle.

Le Dr. Jwa Eunjin et son équipe de recherche à l’Institut coréen de recherche sur l’énergie (KIER) ont fait évoluer une composante essentielle des cellules bio-électrochimiques. Leur travail permet une production d’hydrogène plus efficace à partir des microorganismes présents dans les déchets. Cette amélioration résout les problèmes de perte de puissance qui affectent les procédés conventionnels.

La méthode de production d’hydrogène à partir de biogaz, un gaz renouvelable issu de la décomposition microbienne des déchets organiques, nécessite des procédés comme la réforme à la vapeur ou la pyrolyse à haute température. Ces méthodes sont énergivores et émettent du dioxyde de carbone, compliquant ainsi leur viabilité à grande échelle.

Le défi des cellules bio-électrochimiques

Les pays leaders comme les États-Unis et l’Europe explorent activement les cellules bio-électrochimiques pour la production d’hydrogène. Dans ce système, on fournit des déchets et de l’électricité à la cellule où les microorganismes dégradent la matière organique, libérant des électrons et des ions hydrogène pour former du gaz hydrogène.

On reconnaît de plus en plus les cellules bio-électrochimiques (BEC) comme une technologie écologique capable de traiter les déchets tout en produisant de l’énergie. Contrairement aux méthodes traditionnelles, les BEC offrent une solution plus durable et économique, fonctionnant à basse température et émettant peu de CO2, s’alignant ainsi sur les objectifs mondiaux de décarbonation.

Toutefois, l’agrandissement des systèmes pose des défis. Avec l’augmentation de leur taille, les chemins pour les matériaux de réaction électrochimique s’allongent, augmentant la résistance interne et les pertes de puissance. Cette limitation freine la commercialisation à grande échelle et souligne la nécessité d’avancements technologiques pour améliorer l’efficacité et la scalabilité.

L’innovation Zero-Gap

Pour répondre aux problèmes de perte de puissance, l’équipe de recherche a développé une amélioration propriétaire de l’unité de base de la cellule bio-électrochimique. Leur procédé a permis une productivité en hydrogène 1,2 fois supérieure et une production d’électrons augmentée de plus de 1,8 fois par rapport aux procédés existants.

Ils ont introduit une technologie Zero-Gap qui réduit considérablement la distance entre les électrodes et le séparateur, diminuant ainsi la résistance électrique et optimisant l’efficacité de réaction. Cette approche crée un chemin direct pour les réactions électrochimiques, permettant un transfert d’électrons plus rapide et une production d’hydrogène plus efficace.

Contrairement aux structures zero-gap conventionnelles, qui empilent les électrodes et les membranes comme un sandwich, la structure développée par l’équipe utilise un couvercle cylindrique pour appliquer une pression uniforme à l’électrode, assurant une adhésion complète entre l’électrode et le séparateur. Cette conception s’avère applicable même à grande échelle, facilitant la commercialisation des BEC.

Les résultats et les perspectives

L’application de cette cellule bio-électrochimique améliorée a permis une augmentation de 1,8 fois de la production d’électrons et une augmentation de 1,2 fois de la production d’hydrogène par rapport aux méthodes conventionnelles. Ces performances ont été maintenues lors d’expériences à l’échelle pilote, validant l’efficacité de leur approche. Cette réussite a été certifiée par le Laboratoire d’essais de Corée (KTL).

Le Dr. Jwa Eunjin a déclaré : « Cette innovation technologique répond non seulement aux défis environnementaux et économiques du traitement des déchets organiques en Corée, mais elle marque également une avancée significative dans la production d’énergie hydrogène propre à haute efficacité. » Elle a ajouté : « La commercialisation de notre cellule bio-électrochimique de haute performance devrait contribuer de manière substantielle à atteindre la neutralité carbone et à passer à une société basée sur l’hydrogène. »

Légende illustration : Comparaison de la structure cellulaire existante et de la structure cellulaire nouvellement développée. Comparaison de la structure cellulaire existante et de la structure cellulaire nouvellement développée

Cellule bio-électrochimique (BEC) : Un système qui combine l’activité métabolique biologique des micro-organismes avec des réactions électrochimiques pour produire de l’énergie (comme de l’électricité, de l’hydrogène ou du méthane) ou des substances chimiques utiles. Il s’agit d’une technologie écologique capable de traiter les déchets et de produire de l’énergie simultanément.

Article : « Evaluation of a mixture of livestock wastewater and food waste as a substrate in a continuous-flow microbial electrolysis cell » – DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.176884

Cette recherche a été soutenue par le Programme de Développement de Technologies Originales pour l’hydrogène Futur de la Fondation Nationale de Recherche de Corée. Les résultats ont été publiés dans la revue Science of The Total Environment, reconnue mondialement dans le domaine des sciences environnementales.