La photosynthèse artificielle pourrait-elle débloquer l’économie de l’hydrogène ?

Remplacer la photosynthèse naturelle

Une grande partie de l’énergie que nous utilisons provient directement ou indirectement de la photosynthèse. C’est le cas des aliments, mais aussi des combustibles fossiles issus d’anciennes matières organiques.

Ainsi, de nombreux travaux cherchent à améliorer la photosynthèse naturelle ou à l’utiliser pour de nouvelles applications, notamment les biocarburants produits à partir d’algues. Leur déploiement à grande échelle pourrait contribuer à réduire les émissions, selon le bilan énergétique et environnemental de chaque procédé.

Peut-on reproduire certaines réactions de la photosynthèse sans organisme vivant ? C’est l’objectif de la photosynthèse artificielle, qui utilise l’énergie lumineuse pour provoquer des transformations chimiques.

Contrairement à une cellule photovoltaïque, qui produit de l’électricité, un système photocatalytique vise une conversion directe en énergie chimique. Cela ne signifie pas qu’il soit déjà plus efficace ou plus économique.

Trois chercheurs du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) et de l’Université de Tokyo ont examiné cette approche dans l’article « Bioinspired hydrogels: polymeric designs towards artificial photosynthesis¹ ». Ce travail de synthèse présente des concepts et résultats sur les gels photocatalytiques, plutôt qu’une installation industrielle prête à fonctionner.

Comment fonctionne la photosynthèse ?

Chez les plantes, la photosynthèse utilise l’énergie lumineuse pour transformer l’eau et le dioxyde de carbone en composés organiques, avec libération d’oxygène.

Source: Britannica

L’équation globale semble simple, mais elle masque de nombreuses étapes et ne suffit pas à décrire un procédé artificiel réalisable.

Source: Britannica

La photosynthèse végétale repose sur une machinerie biochimique complexe : réactions intermédiaires, transferts d’électrons et organisation précise de nombreux composants.

La présentation de ce sujet dans l’Encyclopædia Britannica montre son ampleur. Les chercheurs utilisent des schémas détaillés pour représenter les différentes étapes :

Source: Lumen Learning

Dans la nature, la photosynthèse sert notamment à produire des glucides. La photocatalyse peut aussi viser d’autres réactions alimentées par la lumière, comme la production d’hydrogène.

Hydrogels bio‑inspirés pour la production d’hydrogène

La photosynthèse naturelle comprend une oxydation de l’eau, qui libère de l’oxygène, des protons et des électrons. Les protons H+ ne sont pas des atomes d’hydrogène neutres. Les hydrogels peuvent organiser les composants nécessaires à certaines réactions de photosynthèse artificielle.

Source: Chemical Communications

Les systèmes décrits peuvent associer des molécules qui absorbent la lumière, des relais de transfert d’électrons et des catalyseurs, notamment des complexes de ruthénium ou des nanoparticules de platine. L’organisation de ces composants dans un réseau polymère est un enjeu essentiel.

L’organisation des molécules dans l’hydrogel peut faciliter les transferts d’électrons et la conversion d’énergie. Reina Hagiwara, doctorante au JAIST, fait partie des auteurs de cette recherche.

Source: Chemical Communications

Efficacité améliorée

Le réseau du gel peut limiter l’agrégation des composants, laquelle réduit souvent leur efficacité. Le résultat dépend toutefois de la formulation et des conditions expérimentales.

Les chercheurs étudient comment disposer les molécules dans un réseau polymère pour favoriser le transfert d’électrons et éviter leur regroupement.

Kosuke Okeyoshi — professeur associé au JAIST

Les travaux présentés montrent l’intérêt de cette organisation pour la photocatalyse. Ils ne démontrent pas une supériorité universelle sur toutes les autres méthodes de production d’hydrogène.

Source: Chemical Communications

Gel capturant la lumière

La structure du gel peut aussi modifier l’absorption et la propagation de la lumière. Il faut distinguer ces effets d’un piégeage parfait de toute la lumière incidente.

La taille et l’organisation des microgels sont des paramètres de conception. Les réseaux peuvent rapprocher les composants photosensibles et catalytiques afin de faciliter les réactions.

Source: Chemical Communications

La clé de la révolution hydrogène ?

L’hydrogène, ainsi que l’ammoniac produit à partir de celui-ci, sont envisagés comme vecteurs énergétiques. Leur bilan climatique dépend notamment de leur mode de production.

Le stockage sous forme chimique peut être utile sur de longues durées ou dans certaines activités difficiles à électrifier directement, comme une partie du transport maritime et de l’industrie lourde.

L’électrolyse consomme de l’électricité et entraîne des pertes de conversion. Son intérêt économique dépend du prix de l’électricité, du rendement, de l’utilisation des équipements et du transport. Il serait excessif d’affirmer que la majeure partie de l’énergie est toujours perdue au seul stade de l’électrolyse.

Une chaîne photovoltaïque peut comprendre la conversion de la lumière en courant continu, puis l’électrolyse et le conditionnement de l’hydrogène. Chaque étape ajoute des coûts et des pertes.

Un transport sur le réseau et des conversions entre courant continu et alternatif peuvent ajouter des pertes, mais toutes les installations n’utilisent pas la même architecture.

La photocatalyse directe cherche à convertir la lumière en énergie chimique sans produire d’abord de l’électricité utilisable sur le réseau. Elle comporte néanmoins des étapes de transfert de charges et des réactions intermédiaires.

Les prochaines étapes

Polymères améliorés

Cette publication souligne le potentiel des réseaux polymères pour organiser les composants photocatalytiques. Des architectures plus avancées pourraient améliorer leur fonctionnement, notamment grâce à des chaînes moléculaires ou des assemblages supramoléculaires. Leur intérêt pratique doit encore être évalué.

Plus que de l’hydrogène

La production d’hydrogène n’est pas la seule réaction envisageable. Par exemple, des chercheurs d’Osaka ont étudié la production d’acide fumarique à partir de bicarbonate et d’acide pyruvique issu de la biomasse, au moyen d’une autre forme de photosynthèse artificielle.

Au‑delà du platine

Certains procédés utilisent du platine ou d’autres métaux rares, dont le ruthénium. Cette demande potentielle est un élément à examiner dans une analyse du marché du platine, aux côtés des usages automobiles.

Le prix de ces métaux encourage également la recherche de catalyseurs plus accessibles.

Nous en présentons des exemples dans « Les progrès de la production d’hydrogène par électrolyse à base de nickel » et « Produire de l’hydrogène par décomposition de l’eau avec des copeaux métalliques intégrés ».

L’association de catalyseurs moins coûteux et de réseaux polymères pourrait être étudiée. Elle ne garantit pas, à elle seule, une production d’hydrogène bon marché et durable.

Investir dans la photosynthèse artificielle & l’hydrogène

La photosynthèse artificielle reste un domaine expérimental. L’intérêt pour l’hydrogène incite néanmoins des entreprises à investir dans différentes technologies de production et d’utilisation.

Le platine peut être acheté sous forme de pièces ou de lingots, et il existe également des bijoux en platine. Il s’agit d’une exposition au prix du métal, qui dépend de nombreux marchés autres que l’hydrogène.

Des produits adossés à du platine physique comprennent abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) et GraniteShares Platinum Trust (PLTM). Leurs frais et leur structure doivent être examinés.

Les entreprises liées à l’hydrogène sont accessibles auprès de courtiers. Sur securities.io, vous trouverez des articles consacrés aux courtiers aux États-Unis, au Canada, en Australie et au Royaume-Uni, ainsi que dans de nombreux autres pays.

Des fonds thématiques peuvent aussi être étudiés. Le VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX) donne une exposition aux terres rares et aux métaux stratégiques, plutôt qu’une exposition directe au platine. Des fonds axés sur l’hydrogène comprennent le Global X Hydrogen ETF (HGEN) ou le VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO). Leur diversification ne supprime ni le risque de marché ni le risque sectoriel.

Entreprise d’hydrogène

BLDP Graphique du prix

Ballard fabrique des piles à combustible et a présenté un autobus à pile à combustible dès 1993.

L’entreprise vise les marchés lourds : autobus, camions, trains et tramways, navires, engins industriels et production d’énergie. Dans ses perspectives présentées à l’époque, elle anticipait une place croissante des camions et un poids important de l’Europe et de l’Amérique du Nord. Ces prévisions ne constituent pas des résultats acquis.

Ballard présentait un marché potentiel important pour les piles à combustible destinées aux camions à l’horizon 2030. Les estimations de marché accessible et les prévisions de ventes reposent sur des hypothèses et ne sont pas interchangeables.

Source: Ballard

Le besoin de puissance, d’autonomie et de ravitaillement rapide peut favoriser l’hydrogène dans certains usages lourds. Le coût et l’efficacité doivent toutefois être comparés aux autres solutions.

Pour certains trains sans caténaire et trajets routiers longs, les piles à combustible peuvent constituer une option. Leur intérêt dépend aussi de l’infrastructure disponible.

Source: Ballard

Ballard a également annoncé un contrat avec Amogy pour fournir des piles à combustible à sa plateforme de conversion de l’ammoniac en énergie, utilisant une technologie de craquage de l’ammoniac.

La décarbonation des véhicules lourds présente des contraintes différentes de celles des voitures particulières. Plusieurs technologies sont en concurrence.

Ballard pourrait bénéficier de politiques favorables à l’hydrogène, mais cela dépendrait de l’adoption commerciale, de la concurrence et de ses coûts.

Une baisse du coût de production de l’hydrogène pourrait favoriser les piles à combustible, quelle que soit la méthode utilisée. Elle ne garantit pas la rentabilité de Ballard.

Référence de l’étude :

^{1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). Bioinspired hydrogels: polymeric designs towards artificial photosynthesis. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C}