Générer de l’hydrogène en séparant l’eau avec du swarf intégré

Hydrogène et coûts de l’électrolyse

Hydrogen is a promising fuel for a green economy, from transportation to energy storage, and may be the only realistic carbon-free alternative fuel for many industries like shipping and air flight.

L’hydrogène est un carburant prometteur pour une économie verte, du transport au stockage d’énergie, et pourrait être la seule alternative réaliste sans carbone pour de nombreuses industries comme le transport maritime et les vols aériens.

Un facteur clé qui a freiné l’émergence de l’économie de l’hydrogène est le coût, en particulier le coût de production de l’hydrogène.

L’hydrogène vert (issu d’énergies renouvelables) est principalement produit par électrolyse, qui nécessite beaucoup d’énergie et de catalyseurs. Ces catalyseurs ont tendance à être coûteux, reposant dans la plupart des cas sur des métaux comme le platine. Plus on utilise de platine, plus l’électrolyseur est cher.

Non seulement les métaux comme le platine sont chers, mais ils sont également extrêmement rares et seraient en pénurie si l’hydrogène était massivement adopté comme source d’énergie.

Ainsi, il était important d’annoncer que des chercheurs ont déclaré une réduction drastique de la quantité de catalyseur nécessaire pour l’électrolyse.

“Nous sommes capables de produire de l’hydrogène à partir de l’eau en n’utilisant qu’un dixième de la charge de platine comparée aux catalyseurs commerciaux de pointe.” – Dr Madasamy Thangamuthu, chercheur postdoctoral à l’Université de Nottingham.

Électrolyse bon marché avec du swarf (métal de récupération)

Cette découverte a été réalisée par des chercheurs de l’Université de Nottingham, Royaume-Uni, et publiée dans le Journal of Material Chemistry, sous le titre “Du métal de récupération à des électrodes hautement efficaces : exploiter la surface nanotexturée du swarf pour une utilisation efficace du Pt et du Co pour la production d’hydrogène”.

Les premières découvertes proviennent de l’analyse du swarf à l’échelle nanométrique. Le swarf est constitué de spirales de métal de récupération générées comme déchets lors de l’usinage de métaux tels que l’acier inoxydable, le titane ou les alliages de nickel. Les industries au Royaume-Uni seules produisent chaque année des millions de tonnes de déchets métalliques.

Source: Nottingham University

Lors de l’analyse de ces swarfs au microscope électronique, les chercheurs ont découvert que, loin d’être lisses, ces déchets métalliques possédaient des rainures et des crêtes d’à peine quelques dizaines de nanomètres de largeur.

Ces structures très complexes et ces surfaces de contact massives constitueraient des substrats idéaux pour les électrocatalyseurs utilisés dans l’électrolyse de production d’hydrogène.

Source: Journal Of Material Chemistry

Pluie magnétique de platine sur les swarfs

Pour ajouter des atomes de platine au swarf, les chercheurs ont utilisé une technique appelée magnetron sputtering. Il s’agit d’une technique utilisée dans la production de semi‑conducteurs pour déposer un film métallique ultra‑mince, grâce à de puissants champs magnétiques.

Source: Korvus Tech

Cette méthode « pluie » des atomes de platine sur le swarf et les dépose dans les rainures et crêtes de taille nanométrique.

“En répartissant seulement 28 microgrammes du métal précieux sur 1 cm² de swarf, nous avons pu créer un électrolyseur à l’échelle laboratoire qui fonctionne avec une efficacité de 100 % et produit 0,5 litre de gaz hydrogène par minute à partir d’un seul morceau de swarf.” – Dr Madasamy Thangamuthu, chercheur postdoctoral à l’Université de Nottingham.

Cette méthode a permis la création de 2 types d’électrocatalyseurs générant de l’hydrogène :

• Swarf de titane avec des atomes de platine comme catalyseur, pour la réaction d’évolution de l’hydrogène (HES).
• Swarf de nickel avec des atomes de cobalt comme catalyseur, pour la réaction d’évolution de l’oxygène (OER).

Source: Journal Of Material Chemistry

Les chercheurs de Nottingham travaillent maintenant avec la société AqSorption pour mettre à l’échelle la technologie.

Rassembler les innovations autour de l’hydrogène

Nouveaux paradigmes de catalyseurs

La construction de l’économie de l’hydrogène exigera que chaque étape de la chaîne de production et de distribution de l’hydrogène devienne aussi efficace que possible.

Jusqu’à récemment, la rareté et le coût élevé des catalyseurs à base de platine et de cobalt rendaient nécessaire la découverte de catalyseurs alternatifs. Par exemple, nous avons évoqué la possibilité d’utiliser des nanorods de nickel dans “Hydrogen Production Advancements with Nickel Based Electrolysis” et des catalyseurs alternatifs comme le ruthénium, le silicium et le tungstène (RuSiW) dans “Green Hydrogen Set to Replace Grey as New Electrocatalysts Make Production Cost-Effective“.

La découverte de l’utilisation du swarf pourrait éliminer le besoin de tels nouveaux catalyseurs.

Peut-être que ces innovations pourraient être combinées pour créer des types de catalyseurs encore plus efficaces. Alternativement, maintenant que la quantité de platine requise peut être réduite de 10 fois, l’utilisation de nanorods de platine pour atteindre des niveaux ultra‑élevés d’efficacité catalytique pourrait être une option.

Technologie de l’hydrogène en amélioration & ammoniac

Cela sera probablement combiné avec d’autres innovations, comme un stockage plus efficace de l’hydrogène comme discuté dans « Hydrogen Just Became More Attractive as an Energy Source Through Containment Breakthrough ». La conversion efficace de l’hydrogène en énergie comme discuté dans « Are Battery Cells Just Precursor to Hydrogen Fuel Cells? The Real Next-Gen of EVs? ».

Enfin, l’électrolyse de l’hydrogène à haute efficacité et à faible coût, son stockage et son utilisation pourraient être combinés à l’utilisation massive d’ammoniac comme carburant, moyen de transport et forme de stockage à long terme de l’hydrogène, comme discuté dans « Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia » et « Ammonia Production is Hugely Detrimental to the Environment – Engineers Have Just Developed a Cleaner Method ».

Entreprises axées sur l’hydrogène

1. Sibanye Stillwater

L’utilisation du swarf pour la production d’hydrogène pourrait augmenter de façon spectaculaire la viabilité d’une adoption massive de l’hydrogène vert en rendant l’électrolyse à base de platine économiquement viable.

Cela pourrait constituer un coup de pouce majeur pour le marché du platine, qui a été sous pression ces dernières années.

Une partie clé de la sous-performance du platine était due à sa forte dépendance à la demande de convertisseurs catalytiques dans les voitures et camions à carburant. Avec le monde qui se tourne vers les VE, cela remettait en question la viabilité de la demande pour ce métal.

Source: Sibanye Stillwater [securities_stock_price_tag symbol="SBSW" exchange="NYSE"]

Alternativement, si l’électrolyse à base de platine utilisant des métaux de récupération de l’industrie aérospatiale devient un pilier de l’économie de l’hydrogène, la demande de platine pour les décennies à venir est assurée.

Sibanye Stillwater, en Afrique du Sud, est l’un des plus grands producteurs de platine au monde. Le pays produit 80 % du platine mondial, et Sibanye Stillwater en est responsable d’un quart.

Source: Mining Technology

Il produit également des éléments du groupe du platine tels que le palladium, le rhodium et le ruthénium. Il se diversifie actuellement pour pénétrer les marchés de l’or et des métaux pour batteries.

Source: Sibanye Stillwater

Le marché du platine a été dominé par le débat sur l’adoption des VE versus les moteurs à combustion interne (ICE). Avec l’innovation rapide dans l’utilisation de l’électrolyse de l’hydrogène à base de platine et d’autres éléments du groupe du platine, cela pourrait changer.

Le platine est également requis dans la plupart des conceptions de piles à combustible qui convertissent l’hydrogène en électricité. Ainsi, dans l’ensemble, les progrès réalisés dans la technologie de l’hydrogène, y compris l’électrolyse basée sur le swarf mais pas uniquement, devraient bénéficier aux mineurs axés sur le platine comme Sibanye Stillwater.

2. Ballard Power Systems Inc.

Ballard est un fabricant de piles à combustible, et un pionnier de la technologie avec son premier bus à pile à combustible produit en 1993.

L’entreprise se concentre sur les marchés lourds : bus, camions, trains/trams, navires, mines/construction et énergie. Bien que les bus aient été le cœur de l’activité, l’entreprise prévoit qu’en 2025 les camions constitueront un segment commercial majeur. Elle s’attend également à ce que l’Europe reste son principal marché (50‑60 %), suivi de l’Amérique du Nord (25 %).

Les piles à combustible pour camions devraient continuer de croître et représenter un marché de 7,5 milliards de dollars en 2030 (sur un TAM de 195 milliards de dollars), presque aussi important que toutes les autres applications de l’hydrogène/piles à combustible combinées. Cette croissance pourrait s’accélérer si les prix de production de l’hydrogène baissent grâce aux nouvelles technologies.

Source: Ballard

En raison de la puissance plus élevée requise et du besoin de recharge rapide, les véhicules lourds constituent un bon marché pour l’hydrogène et les piles à combustible par rapport aux véhicules plus légers comme les voitures. Cela réduit également le besoin de caténaires pour les rails et les trolleybus, ainsi que la recharge rapide pour le transport longue distance.

Source: Ballard

L’entreprise n’est pas non plus étrangère à l’ammoniac, avec par exemple un contrat récent avec Amogy pour lui fournir des piles à combustible pour sa « plateforme ammonia-to-power qui repose sur une technologie unique de craquage de l’ammoniac ».

Alors que les VE ont une chance raisonnable de prendre rapidement le marché automobile, les véhicules plus lourds sont plus difficiles à décarboniser. Avec son leadership établi dans le secteur, Ballard serait un bénéficiaire majeur d’une poussée politique vers une économie de l’hydrogène.

La production d’hydrogène devient rapidement moins chère grâce aux progrès des catalyseurs qui réduisent mécaniquement le coût des carburants des véhicules à hydrogène. Avec la hausse des prix du pétrole due aux tensions géopolitiques et à l’augmentation des taxes carbone, cela pourrait pencher la balance en faveur de l’hydrogène, surtout pour les véhicules nécessitant beaucoup de puissance et parcourant de longues distances (camions, bus, etc.).