Hydrogène et eau douce à partir d'eau de mer ? Une solution solaire émerge.

Répondre à la demande en eau et en hydrogène

L'eau douce est l'une des ressources les plus demandées dans de nombreuses régions du monde en pleine croissance démographique. Il s'agit d'une préoccupation croissante et potentiellement d'un facteur d'instabilité géopolitique, avec, par exemple, la discussion sur qui peut utiliser les eaux du Nil a presque amené l'Égypte et l'Éthiopie à une guerre.

Bien que les méthodes de dessalement deviennent de plus en plus courantes, elles sont très gourmandes en énergie et même le déploiement massif de panneaux solaires n’est souvent pas suffisant.

Nous avons également besoin de davantage d'énergie renouvelable, stockable et utilisable comme carburant pour les équipements lourds et l'industrie. En théorie, l'hydrogène serait une bonne option, mais son déploiement à grande échelle reste encore difficile en raison de son coût trop élevé.

Ici aussi, l’énergie solaire peut aider, mais le coût de la production d’hydrogène par électrolyse a limité son utilisation.

Il semble que ces deux problèmes pourraient être résolus simultanément grâce à une nouvelle technologie d'électrolyse alimentée par l'énergie solaire, utilisant non pas de l'eau douce, mais de l'eau de mer. Elle produit même de l'eau douce comme sous-produit de sa production d'hydrogène.

Il a été inventé par des chercheurs de l'Université Johns Hopkins, de l'Université d'État du Michigan, de l'Université Cornell, de l'Université Lehigh et du MIT, qui ont publié leurs résultats dans la revue Energy & Environmental Science, sous le titre «Production d'hydrogène vert à partir d'eau de mer grâce à l'énergie solaire, avec une efficacité supérieure à 12 % ».

Rendre l'eau de mer utile

L'eau de mer est peut-être la ressource la plus abondante sur Terre, couvrant 70 % de la surface de la planète. Elle est également facilement accessible pour la majeure partie de la population mondiale, puisque plus de 40 % vivent à moins de 100 km (62 miles) de la côte la plus proche, et plus de 50 % à moins de 200 km (124 miles).

Source: StatsMapsNPix

C'est pourquoi nous avons imaginé cette technologie. Nous nous sommes demandé : "Quelle est la ressource la plus abondante sur Terre ?" L'énergie solaire et l'eau de mer sont des ressources infinies et gratuites.

Lenan Zhang - Maître assistant chez Cornell Engineering

Malheureusement, l'eau de mer est salée et impropre à la consommation humaine comme à l'irrigation des cultures. C'est pourquoi des sources alternatives d'approvisionnement en eau douce sont envisagées dans les régions arides, comme Récupération de l'eau atmosphérique or un meilleur traitement des eaux usées.

Le dessalement reste néanmoins probablement la seule solution durable à grande échelle pour approvisionner en eau de nombreux pays. Ces pays étant souvent situés dans des régions ensoleillées, le dessalement solaire, qu'il soit à travers les membranes ioniques L'évaporation directe, ou l'évaporation directe, est une solution potentielle. Cependant, les coûts fixes de ces systèmes rendent la production d'eau assez onéreuse.

« L’eau et l’énergie sont toutes deux essentielles à notre vie quotidienne, mais en général, si vous voulez produire plus d’énergie, vous devez consommer plus d’eau.

D’autre part, nous avons besoin d’eau potable, car les deux tiers de la population mondiale sont confrontés à une pénurie d’eau.

Lenan Zhang - Maître assistant chez Cornell Engineering

À noter que l’eau de mer n’est pas non plus une source appropriée de matériau pour la production d’hydrogène, qui nécessite de l’eau ultra-pure (distillée).

Meilleure utilisation de la lumière du soleil

Jusqu’à présent, l’économie du dessalement s’est heurtée au problème selon lequel il faut construire de grandes et coûteuses installations de collecte solaire tout en essayant de produire de l’eau au moindre coût possible.

Ce que les chercheurs de cette étude ont fait, c’est de faire en sorte que ces installations produisent quelque chose de plus précieux (de l’hydrogène) tout en produisant de l’eau en même temps.

En règle générale, les installations photovoltaïques ne peuvent utiliser qu'une partie de la production solaire, car une efficacité de 100 % est impossible et certaines longueurs d'onde sont trop courtes ou trop longues pour être utilisées par le silicium des panneaux.

Source: Énergie et sciences de l'environnement

Cela entraîne un gaspillage important d'énergie solaire dans les installations photovoltaïques. Pire encore, cette énergie solaire génère de la chaleur, ce qui réduit encore l'efficacité des panneaux solaires (la plupart des modèles fonctionnent mieux en dessous de 30 °C).

Tout faire en même temps

Comme ces problèmes semblent impossibles à résoudre séparément, du moins de manière économiquement compétitive, la solution réside peut-être dans une approche plus globale. C'est dans cet esprit que les chercheurs ont envisagé les synergies potentielles si le même dispositif produisait simultanément de l'électricité, de l'hydrogène et de l'eau douce, en utilisant uniquement le soleil et l'eau de mer.

Source: Énergie et sciences de l'environnement

La conception qu'ils ont conçue vise à résoudre tous les problèmes à la fois, en faisant de chaque limitation d'un sous-processus donné la solution à un autre problème :

• La production d’hydrogène et d’eau douce est réalisée dans le même appareil, afin de partager les coûts d’investissement et d’utiliser l’intégralité du spectre solaire.
• L’eau provient de l’eau de mer, ce qui élimine les contraintes de ressources pour la production d’hydrogène.
• La production d’eau douce ultra-pure absorbe la chaleur, gardant les panneaux solaires au frais et augmentant la production d’électricité.
• L'eau de mer n'entre jamais en contact avec l'électrocatalyseur, produisant de l'hydrogène, éliminant ainsi les problèmes de corrosion et de réactions chimiques indésirables.
• Comme l’énergie est directement utilisée pour la production d’hydrogène dans le même appareil, il n’est pas nécessaire de recourir à des batteries, de mettre à niveau le réseau électrique, etc.

Fabrication de pointe

Bien que le concept paraisse simple, réussir à réaliser efficacement toutes ces opérations à la fois constitue un véritable défi d’ingénierie.

L'évaporateur et l'électrolyseur PEM sont séparés par un entrefer, ce qui évite le contact direct entre l'eau de mer et les électrocatalyseurs.

Source: Énergie et sciences de l'environnement

Quelques autres fonctionnalités ont été ajoutées pour améliorer la conception :

• Utilisation d'une mèche capillaire qui emprisonne l'eau dans un film mince qui est en contact direct avec le panneau solaire pour lui permettre de refroidir le panneau solaire par évaporation.
• Exploitez l'effet thermique pour augmenter la pression de vapeur, indispensable pour des taux de production plus élevés d'eau distillée et une génération efficace d'hydrogène.
• Utiliser l’énergie libérée par le changement de phase vapeur-liquide pour améliorer l’efficacité de la production d’hydrogène.
• L’utilisation d’un flux d’eau de mer unilatéral pour éviter l’accumulation de sel est un problème permanent pour tous les systèmes de dessalement.

Source: Énergie et sciences de l'environnement

À la fin du processus, l’eau de mer légèrement plus salée peut être renvoyée dans la mer, et l’eau distillée qui n’a pas été transformée en hydrogène peut être utilisée comme eau potable propre.

« La conception était un défi car il y a beaucoup de couplages complexes : le dessalement couplé à l'électrolyse, l'électrolyse couplée au panneau solaire et le panneau solaire couplé au dessalement par la conversion et le transport de l'énergie solaire, électrique, chimique et thermique. »

Lenan Zhang - Maître assistant chez Cornell Engineering

Tester le prototype

Lors des tests de leur dispositif hybride de distillation solaire-électrolyse de l'eau (HSD-WE), les chercheurs ont découvert que la petite cellule de 10 cm x 10 cm pouvait produire 200 millilitres d'hydrogène par heure, avec une efficacité énergétique de 12.6 %, directement à partir de l'eau de mer sous la lumière naturelle du soleil.

Source: L'Université Cornell

Le test a été réalisé en extérieur, avec de l'eau de mer réelle et des conditions météorologiques réalistes, notamment avec un temps nuageux réduisant la production d'hydrogène à un moment de la journée.

Source: Énergie et sciences de l'environnement

Viabilité économique

Les chercheurs ont calculé la quantité d'hydrogène produite par leur prototype à différents endroits. Comparé à la moyenne actuelle de 10 $/kg pour l'hydrogène vert, il apparaît clairement que son rendement est bien plus élevé après la première année d'exploitation, tombant à 5 $/kg après trois ans d'exploitation et à 1 $/kg après 15 ans d'exploitation.

Source: Énergie et sciences de l'environnement

Cela est dû au fait que les coûts de l’hydrogène vert traditionnel plafonnent rapidement, limités par les coûts de l’énergie et du capital.

Par rapport à l'électrolyseur classique, le HSD-WE est en grande partie passif et tire son énergie directement du soleil, sans coûts d'investissement supplémentaires de connexion, de transport d'eau, de stockage, etc.

Nous voulons éviter les émissions de carbone et la pollution. Parallèlement, nous nous soucions également du coût, car plus il est bas, plus le potentiel d'adoption à grande échelle est élevé. Nous sommes convaincus que le potentiel d'installation future est énorme.

Lenan Zhang - Maître assistant chez Cornell Engineering

Compagnony Résoudre les pénuries d'eau

Xylem Inc.

Avec Veolia en Europe, Xylem est un leader mondial de la purification de l'eau, du traitement des eaux usées et du dessalement. Le groupe emploie plus de 23,000 6,000 personnes (dont plus de 150 35,000 ingénieurs) et opère dans XNUMX pays, notamment aux États-Unis, avec plus de XNUMX XNUMX clients industriels directs.

Son marché principal est l'eau potable et les eaux usées municipales, mais elle fournit également des solutions dédiées à d'autres secteurs comme la santé, l'énergie, l'alimentation et les boissons, le pétrole et le gaz, la microélectronique, etc.

Source: Xylème

Xylem peut fournir des équipements brevetés essentiels pour nettoyer ou produire de l’eau comme des générateurs d’ozone, des lampes UV, des membranes de dessalement, des générateurs d’eau ultra pure, etc. Mais elle fournit également des équipements « plus simples » tout aussi essentiels aux opérations liées à l’eau comme les turbines, les pompes, la tuyauterie, l’injection, les logiciels, etc. ainsi que des services de maintenance, de réparation et d’installation.

Source: Xylème

Le marché de l’eau est encore très fragmenté, Xylem étant l’une des plus grandes entreprises du secteur mais ne détenant « que » 10 % de part de marché sur un marché potentiel de 80 milliards de dollars.

L'entreprise consacre environ 4 % de son chiffre d'affaires à la R&D. Elle devrait bénéficier de nouvelles réglementations concernant PFAS (Substances per- et polyfluoroalkylées, ou des produits chimiques pour toujours), avec plus de 6,000 XNUMX installations de services publics nécessitant un tel traitement aux PFAS.

Dans l’ensemble, cela fait que le profil d’investissement de l’entreprise ressemble moins à celui d’une entreprise industrielle (souvent cyclique) et davantage à celui d’une entreprise de services publics qui croît avec l’économie globale ou un peu au-dessus de ce rythme, comme la plupart de ses consommateurs.

Dernières nouvelles sur Xylem Inc.

^{Études référencées :}

  ^{1. Xuanjie Wang et coll. (2025) «Production d'hydrogène vert à partir d'eau de mer grâce à l'énergie solaire, avec une efficacité supérieure à 12 %”. Energy Environ. Sci., 2025, article préliminaire. https://doi.org/10.1039/D4EE06203E}