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Hydrogène et eau douce à partir d’eau de mer ? Une solution solaire apparaît

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Répondre à la demande d’eau et d’hydrogène

Parmi les ressources les plus demandées dans de nombreuses régions du monde où la population augmente, l’eau douce figure en tête. C’est une préoccupation croissante et potentiellement un facteur d’instabilité géopolitique, comme le montre, par exemple, le débat sur qui peut utiliser les eaux du Nil, qui a presque conduit l’Égypte et l’Éthiopie à la guerre.

Bien que les méthodes de désalinisation se généralisent, elles sont très énergivores, et même le déploiement massif de panneaux solaires n’est souvent pas suffisant.

Nous avons également besoin de davantage d’énergie renouvelable sous une forme stockable et utilisable comme carburant pour les équipements lourds et l’industrie. En théorie, l’hydrogène serait une bonne option, mais il n’a pas encore pu être déployé à grande échelle en raison de coûts trop élevés.

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

Il semble que les deux problèmes puissent être résolus simultanément grâce à une nouvelle technologie d’électrolyse alimentée par le soleil, utilisant non pas de l’eau douce mais de l’eau de mer. Elle produit même de l’eau douce comme sous-produit de la génération d’hydrogène.

Elle a été inventée 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 énergie solaire avec plus de 12 % d’efficacité à partir d’eau de mer ».

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 facile d’accès pour la plupart 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).

« C’est pourquoi nous avons développé cette technologie. Nous nous sommes demandé : « D’accord, quelle est la ressource la plus abondante sur Terre ? » Le soleil et l’eau de mer sont essentiellement des ressources infinies et également gratuites. »

Lenan Zhang – Professeur assistant à Cornell Engineering

Malheureusement, l’eau de mer est salée et inadaptée à la consommation humaine ainsi qu’à l’irrigation des cultures. C’est pourquoi des sources alternatives d’eau douce dans les régions arides sont envisagées, comme la récupération d’eau atmosphérique ou un meilleur traitement des eaux usées.

Cependant, la désalinisation est probablement la seule solution durable à grande échelle pour fournir de l’eau abondante à de nombreux pays. Comme ces pays se trouvent souvent dans des zones ensoleillées, la désalinisation alimentée par le solaire, soit par membranes ioniques, soit par évaporation directe, constitue une solution potentielle. Cependant, les coûts fixes de ces systèmes rendent la production d’eau assez coûteuse.

« L’eau et l’énergie sont toutes deux essentielles à notre quotidien, mais généralement, 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 la rareté de l’eau.

»

Lenan Zhang – Professeur assistant à Cornell Engineering

En aside, l’eau de mer n’est également pas une source adaptée pour la génération d’hydrogène, qui nécessite de l’eau ultra‑pure (distillée).

Meilleure utilisation de la lumière solaire

Jusqu’à présent, l’économie de la désalinisation est confrontée au problème selon lequel il faut construire de grandes installations de collecte solaire coûteuses tout en essayant de produire de l’eau au moindre coût possible.

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

En règle générale, les installations photovoltaïques ne peuvent exploiter 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.

Cela laisse une grande partie de l’énergie solaire gaspillée dans les installations photovoltaïques. Pire encore, cette énergie solaire génère de la chaleur, ce qui réduit davantage l’efficacité des panneaux solaires (la plupart des conceptions fonctionnent mieux en dessous de 30 °C (86 °F)).

Faire tout en même temps

Comme ces problèmes semblent impossibles à résoudre séparément, du moins de manière économiquement compétitive, la solution pourrait être une approche plus holistique. C’est avec ce concept en tête que les chercheurs ont envisagé les synergies potentielles si le même dispositif produit simultanément de l’énergie, de l’hydrogène et de l’eau douce, en n’utilisant que le soleil et l’eau de mer.

Le design qu’ils ont imaginé vise à résoudre chaque problème simultanément, en faisant de chaque limitation d’un sous‑processus la solution d’un autre problème :

  • La production d’hydrogène et d’eau douce est réalisée dans le même dispositif, afin de partager les coûts d’investissement et d’exploiter tout le spectre solaire.
  • L’eau provient de l’eau de mer, éliminant les contraintes de ressources pour la production d’hydrogène.
  • La production d’eau douce ultra‑pure absorbe la chaleur, maintenant les panneaux solaires au frais et augmentant la production d’électricité.
  • L’eau de mer ne touche jamais l’électrocatalyseur produisant 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 dispositif, il n’est pas nécessaire d’utiliser des batteries, de mettre à jour le réseau électrique, etc.

Fabrication avancée

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

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

Quelques autres caractéristiques ont été ajoutées pour améliorer le design :

  • Utiliser une mèche capillaire qui retient l’eau sous forme d’un film mince en contact direct avec le panneau solaire afin de le refroidir par évaporation.
  • Exploiter l’effet thermique pour augmenter la pression de vapeur, indispensable pour des débits plus élevés d’eau distillée et une génération d’hydrogène efficace.
  • Utiliser l’énergie libérée par le changement de phase vapeur‑liquide pour améliorer l’efficacité de la production d’hydrogène.
  • Utiliser un écoulement unilatéral d’eau de mer pour éviter l’accumulation de sel, un problème permanent pour tous les systèmes de désalinisation.

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

« Le design était difficile car il y a de nombreux couplages complexes : désalinisation couplée à l’électrolyse, électrolyse couplée au panneau solaire, et le panneau solaire couplé à la désalinisation via la conversion et le transport d’énergie solaire, électrique, chimique et thermique. »

Lenan Zhang – Professeur assistant à Cornell Engineering

Test du prototype

Lors des tests de leur dispositif hybride de distillation solaire‑eau‑électrolyse (HSD‑WE), les chercheurs ont constaté 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 d’eau de mer sous la lumière naturelle du soleil.

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.

Viabilité économique

Les chercheurs ont calculé la quantité d’hydrogène que leur prototype produirait dans différents lieux. Comparé à la moyenne actuelle de 10 $/kg pour l’hydrogène vert, il est clair que cela devient beaucoup plus efficace après la première année d’exploitation, descendant à 5 $/kg après trois ans d’opération et à 1 $/kg après 15 ans.

Cela s’explique par le fait que les coûts de l’hydrogène vert traditionnel plafonnent rapidement, limités par les coûts énergétiques et d’investissement.

Comparé à l’électrolyseur classique, le HSD‑WE est principalement passif et puise son énergie directement du soleil, sans coûts d’investissement supplémentaires liés à la connexion, au transport de l’eau, au stockage, etc.

« Nous voulons éviter les émissions de carbone, éviter la pollution. Parallèlement, nous nous soucions également du coût, car plus le coût est bas, plus le potentiel de marché pour une adoption à grande échelle est élevé. Nous croyons qu’il existe un énorme potentiel pour des installations futures. »

Lenan Zhang – Professeur assistant à Cornell Engineering

Entreprise Résoudre les pénuries d’eau

XYL Graphique du prix

En partenariat avec la société européenne Veolia, Xylem est un leader mondial de la purification de l’eau, du traitement des eaux usées et de la désalinisation. Elle emploie plus de 23 000 personnes (dont plus de 6 000 ingénieurs) et opère dans 150 pays, avec un accent sur les États‑Unis, où elle compte plus de 35 000 clients industriels directs.

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

Source: Xylem

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

Source: Xylem

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

L’entreprise consacre environ 4 % de son chiffre d’affaires à la R&D. Elle devrait bénéficier des nouvelles réglementations concernant les PFAS (substances per- et polyfluoroalkyl, ou produits chimiques éternels), avec plus de 6 000 installations utilitaires nécessitant un tel traitement des PFAS.

Dans l’ensemble, cela rend le profil d’investissement de l’entreprise moins comparable à celui d’une société industrielle (souvent cyclique) et plus semblable à celui d’une société de services publics qui croît avec l’économie globale, voire légèrement au-dessus, comme la plupart de ses consommateurs.

Dernières nouvelles de Xylem Inc.

Études référencées:

  1. Xuanjie Wang, et al. (2025) “Production d’hydrogène vert à énergie solaire avec plus de 12 % d’efficacité à partir d’eau de mer”. Energy Environ. Sci., 2025, Advance Article. https://doi.org/10.1039/D4EE06203E

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Jonathan est un ancien chercheur en biochimie qui a travaillé dans l'analyse génétique et les essais cliniques. Il est maintenant analyste boursier et rédacteur financier, spécialisé dans l'innovation, les cycles de marché et la géopolitique dans sa publication 'The Eurasian Century'.