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Nouvelles énergies 10/06/2020

USA, Suède, Australie… notre tour d'H2orizon trimestriel des projets hydrogène à ne pas rater

C’est aujourd’hui un fait : l'hydrogène est un prétendant sérieux au titre de « carburant du futur ». Encore faut-il parvenir à en rendre la production plus efficace, flexible et abordable.

Et s’il nous reste encore du chemin à parcourir pour réduire le coût de l’hydrogène en termes de transport et de stockage, du point de vue des technologies et des usages, les avancées se succèdent. Le secteur, à l’échelle internationale, a notamment choisi de concentrer une grande partie de son attention et de ses ressources sur « L’hydrogène vert » et au développement et à l’amélioration de ses technologies qui permettraient une réduction considérable des émissions de CO2.

« L’hydrogène vert », généralement produit à partir d’oxygène en utilisant des sources d’énergie renouvelables, ne rejette que de l’eau. Il représente ainsi une alternative parfaite aux combustibles fossiles, que ce soit en tant que carburant ou dans le cadre d’une industrie sidérurgique repensée.

Voici un bref panorama international des dernières innovations en date dans le monde de l’hydrogène :


Etats-Unis I

Des chercheurs de l'Université Rice au Texas ont créé un appareil qu’ils ont surnommé « la feuille artificielle » capable de diviser les molécules d'eau pour produire de l'hydrogène à faible coût. L’équipe a utilisé une combinaison d'électrodes catalytiques et de cellules solaires en pérovskite qui produisent de l'électricité lorsqu'elles sont touchées par la lumière du soleil. La pérovskite, structure cristalline à la symétrie cubique unique, est bien connue pour sa capacité à récolter idéalement la lumière. La charge s'écoule ensuite en direction des catalyseurs qui décomposent l'eau en hydrogène et en oxygène, avec une efficacité impressionnante de conversion de la lumière du soleil en hydrogène d’environ 6,7 %.


  • Si la conception du catalyseur n’est en soi pas nouvelle, les chercheurs sont parvenus à intégrer la couche de pérovskite et d’électrons au sein d’un appareil miniaturisé, qu’il suffit désormais d’immerger et d’exposer au soleil pour produire de l'hydrogène.
  • Pour encourager la commercialisation de tels dispositifs, les chercheurs travaillent également à les rendre aussi rentables que possible, en remplaçant par exemple certains composants chers, comme le platine des cellules solaires en pérovskite, par des matériaux moins coûteux comme le carbone
  • Tentant d’améliorer le design de l’appareil en permanence, les chercheurs espèrent également créer une boucle auto-suffisante. Selon Jun Lou, responsable du développement de l'appareil, « Même lorsqu'il n'y a pas de soleil, il est possible d’utiliser l'énergie stockée sous forme de carburant chimique. On peut séparer l'hydrogène et l'oxygène produits dans des réservoirs indépendants et ajouter un autre module comme une pile à combustible pour les retransformer en électricité ».

Etats-Unis II

Une innovation technologique dans le monde de l'hydrogène pourrait bien réduire considérablement les coûts de fabrication de véhicules à hydrogène. Comment ? Si l’on en croit la Northwestern University de Chicago, en modifiant la manière dont on stocke l’hydrogène, utilisé ici comme carburant. La technologie, surnommée « éponge », est capable de retenir et de libérer de grandes quantités d'hydrogène à une pression inférieure, et ce pour un coût de revient négligeable.


  • Le secret de ce nouveau dispositif est de pouvoir emmagasiner l'hydrogène (et d'autres gaz comme le méthane) à des pressions très basses sans avoir besoin d'un grand réservoir de stockage.
  • Cette technologie (nom de code officiel : NU-150) repose sur un assemblage de molécules organiques et d'ions métalliques qui forment naturellement des structures poreuses hautement cristallines.
  • Comme lorsqu’on remplit et essore une éponge, la technologie se sert de la pression pour stocker les molécules de gaz dans les pores de sa structure métallo-organique, pour ensuite les libérer au sein du moteur à une pression inférieure à toute technologie actuelle.
  • Le nouveau matériau est conforme aux objectifs fixés par le ministère américain de l'énergie en ce qui concerne les systèmes alternatifs de stockage et de livraison de carburant embarqués.


Australie

Des chercheurs australiens de l'Université Griffith ont trouvé un moyen d'améliorer l'électrolyse par le biais de « nano-ceintures » décomposant l'eau en hydrogène et en oxygène. Une innovation technologique qui s’appuie sur deux procédés différents pour constituer ces nano-ceintures et les mettre à contribution au maximum lors de l'oxydation de l'eau.


  • Les chercheurs se sont concentrés plus spécifiquement sur des « nano-ceintures » de CoSe2 : des feuilles ultra minces de cobalt (Co) et de sélénium (Se) assemblées afin d’être utilisées comme électrocatalyseurs à fractionnement d'eau.
  • D’une épaisseur d’un nanomètre, ces nano-ceintures sont environ 50 000 fois plus fines qu’un cheveu humain, ce qui a en réalité pour effet d’augmenter la surface et la réactivité du CoSe2.
  • L'équipe a modifié la nano-ceinture en remplaçant une partie du cobalt par du fer (Fe) avant de soustraire encore davantage de cobalt, améliorant ainsi considérablement l’efficacité de leur innovation.
  • Ce travail pourrait trouver de nombreuses applications, en dehors de l’utilisation des nano-ceintures en question, en permettant d’activer non seulement le potentiel catalytique des nano-ceintures de CoSe2, mais également dans le cadre d’autres réactions électrochimiques.


Suède

Deux entreprises suédoises ont décidé de faire front commun pour rendre l'industrie sidérurgique un peu plus durable en utilisant de l'hydrogène pour chauffer l'acier. Selon la World Steel Association, la production d’une tonne métrique d'acier produit en moyenne 1,85 tonne métrique de dioxyde de carbone. A l’heure actuelle, l’industrie sidérurgique dépend du charbon à hauteur de 75% pour ses besoins énergétiques.


  • Le groupe sidérurgique Ovako et Linde Gas ont réalisé une première mondiale en prouvant grâce à leur procédé que l'hydrogène pouvait être utilisé pour chauffer l’acier au sein d’un environnement de production.
  • L'expérience a démontré que l'hydrogène pouvait remplacer le gaz de pétrole liquéfié utilisé jusqu’ici pour générer de la chaleur. Autre point non négligeable : dans ce processus de combustion par hydrogène, l'eau est le seul élément rejeté.
  • Cet essai a permis de confirmer que l'hydrogène pouvait être utilisé pour chauffer l'acier de manière simple et flexible, sans affecter la qualité de l'acier.


Allemagne I

Une entreprise allemande, Graforce, s’applique à développer une technologie capable de produire de l'hydrogène vert et des énergies renouvelables à partir d'excréments animaux et humains. Ce procédé unique, connu sous le nom de « plasmalyse », est non seulement exempt de dioxyde de carbone, mais également bien plus abordable que toute autre solution utilisée aujourd'hui.


  • La plasmalyse produit de l'hydrogène à partir de l'azote et du carbone contenus dans le fumier végétal et animal ou dans la biomasse, en divisant les atomes à l'aide d'un champ de tension à haute fréquence, puis en recombinant ces atomes en hydrogène et en azote, avec pour seul « déchet » de l’eau purifiée.
  • Ce procédé permet la production d’importantes quantités d'hydrogène, et ce pour 40-50% moins cher que d'autres méthodes conventionnelles comme l'électrolyse.
  • On estime que l'agriculture produit chaque année près 1 500 milliards de mètres cubes de biomasse ou de fumier — que Graforce serait en mesure d’exploiter pour produire environ 724 millions de tonnes d'hydrogène vert.
  • Cette technologie pourrait permettre d'économiser plus de 6,5 gigatonnes de CO2 émises par la production et la consommation d'énergie dans le monde.


Allemagne II

Des chercheurs en bioénergétique de l'Université de Kiel, inspirés par le phénomène naturel de la photosynthèse, cherchent à modifier le cycle biogéochimique du carbone pour produire et stocker de l'hydrogène vert, de manière à économiser de l'énergie tout en réduisant les émissions de CO2.


  • La photosynthèse naturelle produit de l’énergie à partir de la lumière du soleil, stockée ensuite sous forme de composés de carbone, entraînant la libération d'émissions de CO2.
  • Plutôt que de stocker l'énergie solaire dans des composés de carbone, les chercheurs s’appliquent à la convertir directement en hydrogène — ce qui s’est avéré être très efficace, en plus de ne pas émettre de CO2.
  • Pour ce faire, l’équipe s’est penchée sur la modification d'un type spécifique de cyanobactérie qui utilise déjà la photosynthèse pour produire de l'hydrogène solaire.
  • La cyanobactérie en question contient une enzyme spécifique appelée « hydrogénase » qui produit de l'hydrogène à partir de protons et d'électrons.
  • Les chercheurs sont parvenus à combiner enzyme et photosynthèse afin de stimuler le métabolisme de la bactérie et ainsi produire de l'hydrogène solaire sur un laps de temps prolongé, sans en consommer.


L’œil d’ENGIE

D’ici fin 2024, on estime que 960 tonnes d’hydrogène vert devraient être produites, évitant l’émission de près de 8 000 tonnes de gaz à effet de serre. Dans cette optique, ENGIE, en accord avec le programme européen Horizon 2020 et le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), va se joindre au projet « Multiplhy ». Son but : permettre la production d’hydrogène vert par le biais d’une électrolyse à haute température.

L'électrolyseur, en production dans la bioraffinerie de Neste à Rotterdam, aura une puissance nominale de 2,6 MW et une capacité de production d’hydrogène de 60 kg/h. Il est capable de produire de l’hydrogène à partir d’eau sous forme de vapeur plutôt que liquide, avec un rendement d’au moins 20% supérieur à un électrolyseur basse température.




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