L'hydrogène devient une source d'énergie plus attrayante grâce à une percée dans le domaine du confinement

L'hydrogène, l'élément le plus léger de l'univers, est représenté par le symbole H. Il a un numéro atomique de 1 et est l'élément le plus répandu. C'est l'élément chimique le plus simple, avec un seul proton et un seul électron, et il est incolore, insipide et inodore. 

Il est intéressant de noter que l'hydrogène représente environ 75% de la masse de l'univers. Cependant, il ne représente qu'environ 0,14% du poids de la croûte terrestre. Il existe à l'état naturel sous forme de composés avec d'autres éléments dans les solides, les liquides et les gaz. Combinée à l'oxygène, cette substance inflammable forme de l'eau (H2O), et combinée au carbone, elle forme des hydrocarbures, que l'on trouve dans le pétrole et le charbon. L'hydrogène peut donc être produit à partir d'un certain nombre de ressources, notamment les énergies renouvelables comme le solaire et l'éolien, l'énergie nucléaire et le gaz naturel. 

Notamment, de multiples découvertes ont été faites des poches d'hydrogène gazeux se formant naturellement dans des pays tels que l'Australie, la Nouvelle-Zélande, le Canada, la France, l'Allemagne, le Japon et la Russie. Actuellement, les scientifiques étudient l'étendue de ces réserves dans ces pays, ainsi que leur origine et les effets potentiels sur les environnements environnants en cas d'extraction.

L'hydrogène comme source d'énergie

Les méthodes les plus courantes pour produire de l'hydrogène sont les procédés thermiques, l'électrolyse, l'électrolyse photovoltaïque, l'électrolyse solaire et les procédés biologiques. 

Thermique

Dans le processus thermique, la vapeur réagit avec un combustible hydrocarboné comme le diesel, le gaz naturel, le charbon gazéifié ou la biomasse gazéifiée pour produire de l'H. Notamment, la majorité (environ 95%) de tout l'hydrogène est produit à partir du reformage à la vapeur du gaz naturel. 

Électrolyse

L'électrolyse, quant à elle, consiste à séparer l'eau en oxygène et en hydrogène. Ce processus se déroule dans un électrolyseur et crée de l'hydrogène à partir des molécules d'eau.

Biologie

Les processus biologiques utilisent des microbes invisibles à l'œil nu, comme les bactéries, pour produire de l'hydrogène. 

Solaire

Le processus solaire, comme son nom l'indique, utilise la lumière pour la reproduction de l'H de différentes manières : photoélectrochimique (utilisation de semi-conducteurs spécialisés pour séparer l'eau en H et O), photobiologique (utilisation de l'activité photosynthétique naturelle des bactéries et des algues vertes) et thermochimique solaire (utilisation de l'énergie solaire concentrée pour entraîner des réactions de séparation de l'eau).

Outre toutes ses qualités, l'hydrogène est également un combustible propre, c'est-à-dire qu'il ne produit que de l'eau, de la chaleur et de l'électricité lorsqu'il est consommé dans une pile à combustible. Cela en fait une option intéressante pour la production d'électricité et les transports, y compris les voitures et les fusées. Cette substance dense en énergie et stockable, qui ne produit pas de gaz à effet de serre, était en fait utilisée pour alimenter les moteurs à combustion interne il y a plus de deux siècles. 

Ils montrent que l'hydrogène est l'une des principales options pour le stockage des énergies renouvelables et qu'il est également utilisé dans de nombreuses industries. Toutefois, son véritable potentiel n'a pas encore été exploité. Pour cela, l'hydrogène doit être produit à grande échelle de manière économique. En outre, l'infrastructure actuelle doit s'adapter à l'hydrogène, bien qu'il puisse être transporté par des gazoducs.

Bien que nous n'ayons pas encore totalement exploité les merveilles de l'utilisation de l'hydrogène comme carburant, les dépenses mondiales consacrées à la recherche et au développement pour explorer tout le potentiel de l'hydrogène en tant que source d'énergie ont augmenté au fil des ans. Une étude récente a fait une percée majeure à cet égard, permettant un stockage à haute densité de l'hydrogène pour les futurs systèmes énergétiques.

Cadre pour le stockage de l'hydrogène densément emballé

Publiée dans la revue Nature Chemistry le mois dernier, l'étude, "Small-pore hydridic frameworks store densely packed hydrogen" (cadres hydridiques à petits pores stockant de l'hydrogène densément emballé).a été financé en partie par la Fondation nationale de la recherche de Corée (NRF) et la Fondation allemande de la recherche (DFG).

Bien que les matériaux nanoporeux aient suscité beaucoup d'intérêt pour le stockage du gaz, l'étude note que l'obtention d'une capacité de stockage volumétrique élevée reste un défi. Plusieurs chercheurs de différentes universités se sont donc réunis pour résoudre ce problème.

Michael Hirscher, de l'Institut japonais de recherche avancée sur les matériaux (WPI-AIMR) de l'université de Tohoku et de l'Institut allemand Max Planck pour les systèmes intelligents, a conçu les idées originales et supervisé le projet. Hyunchul Oh, de l'Institut national coréen des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST), a quant à lui dirigé ce projet.

Il est intéressant de noter qu'en 2022, une équipe de scientifiques de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents, du Laboratoire national Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'énergie, de l'Université technique de Dresde et de l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nürnberg, a été invitée à participer à un atelier sur les systèmes intelligents dans le cadre d'une conférence de presse. a montré que l'hydrogène se condense sur une surface à une température très basse, proche du point d'ébullition du H2. Ce processus forme une monocouche très dense, dont la densité est trois fois supérieure à celle de l'hydrogène liquide, ce qui réduit le volume à seulement 5 litres par kilogramme de H2.

La dernière étude en date a porté sur une structure de borohydrure de magnésium en utilisant la diffraction neutronique des poudres, la diffusion inélastique des neutrons, l'adsorption volumétrique de gaz et les calculs de premier principe. La structure présente de petits pores et un intérieur non plat partiellement chargé négativement pour l'absorption d'hydrogène (H) et d'azote (N). 

L'azote et l'hydrogène occupent des sites d'adsorption sensiblement différents dans les pores. Ils ont également des capacités limites très différentes de 0,66 N2 et 2,33 H2 par Mg(BH4)2. Le Mg(BH4)2, découvert pour la première fois en 1950, est connu comme un matériau de stockage d'hydrogène à haute capacité qui existe à la fois sous forme de polymorphes cristallins avec des structures nanoporeuses de type MOF et sous forme de polymorphes très denses avec une densité d'hydrogène volumétrique extrême et une capacité d'hydrogène gravimétrique élevée.

L'hydrogène moléculaire est donc extrêmement dense, sa densité étant environ deux fois supérieure à celle de l'hydrogène liquide. 

L'équipe a ensuite utilisé la diffraction neutronique des poudres (NPD) pour déterminer la position des atomes d'hydrogène dans la structure ainsi que les sites d'adsorption des molécules. 

L'étude note qu'un groupe penta-dihydrogène (le dihydrogène est constitué de deux hydrogènes reliés par une seule liaison) a été trouvé où les molécules H2 dans une position ont une liberté de rotation. En revanche, les molécules H2 dans une autre position ont une orientation bien définie et une interaction directionnelle avec la structure. Cela révèle que l'hydrogène densément emballé peut en fait être stabilisé dans des matériaux à petits pores sous des pressions atmosphériques normales.

Grâce à cette révélation, l'équipe a réussi à relever le défi de la capacité limitée de stockage de l'hydrogène en utilisant une technologie avancée d'adsorption à haute densité. 

Ce développement révolutionnaire a été rapporté par le professeur Oh du département de chimie de l'UNIST. Cette recherche innovante marque une avancée significative dans les futurs systèmes énergétiques. 

Permettre le stockage de l'hydrogène à grande échelle

Lorsqu'il s'agit d'utiliser l'hydrogène dans les transports, l'énergie stationnaire et l'énergie portable, le stockage joue un rôle clé. Bien que l'élément ait l'énergie la plus élevée par masse, sa faible densité à température ambiante se traduit par une énergie plus faible par unité de volume. Des méthodes de stockage avancées sont donc nécessaires pour obtenir une densité énergétique plus élevée.

Actuellement, la technologie de stockage se concentre principalement sur le stockage de l'hydrogène moléculaire sous forme liquide ou gazeuse. Mais, bien sûr, cette technologie actuelle présente des limites en termes de densité de stockage volumétrique et gravimétrique (quantité d'énergie par gramme ou kilogramme pouvant être stockée).

Le stockage de l'hydrogène sous forme de gaz nécessite des réservoirs à haute pression, tandis que pour les liquides, des températures cryogéniques sont nécessaires. Il peut également être stocké à la surface ou à l'intérieur d'un solide par absorption.

En tant que molécule, l'hydrogène peut être physiquement adsorbé dans un matériau contenant des pores (vides) par de faibles interactions de van der Waals (qui sont relativement faibles et de nature non ionique) par le biais de la physisorption. Il s'agit d'un processus au cours duquel les molécules de gaz s'attachent à une surface solide. Toutefois, si les matériaux très poreux offrent une absorption gravimétrique élevée de l'hydrogène, des améliorations sont nécessaires en ce qui concerne la capacité de stockage volumétrique.

C'est là que le borohydrure de magnésium cubique nanoporeux, γ-Mg(BH4)2, offre d'excellents résultats. Il a une densité de ρ = 0,550 g cm-3 et un volume de pores libres de 33%. Un diamètre de pore de ∼9 Å permet à ce composé d'adsorber de petites molécules comme l'hydrogène ou l'azote. C'est grâce à la surface interne partiellement chargée négativement de cet hydrure poreux que les atomes hydrides sont exposés aux pores.

Réalisée grâce au programme de recherche de mi-carrière du NFR et du ministère des sciences et des TIC (MSIT), l'étude a permis de synthétiser cet hydrure complexe nanoporeux composé d'un cation de magnésium (Mg+) et d'un hydrure de magnésium, ainsi que d'un hydrure de bore solide (BH4)2.

Le matériau obtenu permet de stocker cinq molécules d'hydrogène dans un arrangement 3D, ce qui permet un stockage remarquable de l'hydrogène à haute densité. Il présente en outre une capacité de stockage de l'hydrogène de 144 g/L par volume de pores, ce qui dépasse de loin les méthodes traditionnelles. De manière impressionnante, la densité des molécules d'hydrogène à l'intérieur du matériau dépasse même celle de l'état solide.

Décrivant ce matériau comme un "changement de paradigme" dans le monde du stockage de l'hydrogène, le professeur Oh a déclaré qu'il offrait "une alternative convaincante aux approches traditionnelles". 

Ce développement améliore considérablement la productivité et l'efficacité économique de l'utilisation de l'hydrogène comme source d'énergie. Il permet également de relever le défi du stockage de l'hydrogène à grande échelle en vue d'une utilisation généralisée dans les applications de transport public et personnel.

Entreprises susceptibles de bénéficier de cette évolution 

Si nous parlons des industries qui peuvent bénéficier de cette recherche, qui transforme le stockage de l'hydrogène, un large éventail de secteurs vient à l'esprit, y compris la chimie, l'énergie, l'automobile, l'ingénierie et la construction. Examinons donc quelques-unes des entreprises qui peuvent en tirer profit : 

#1. Honda Motor Co.

Le constructeur automobile japonais a promis de réduire ses émissions de CO2 et affirme être l'une des premières entreprises à se concentrer sur le potentiel de l'énergie hydrogène. 

Pour atteindre ces objectifs, Honda Motor Company effectue des recherches sur les technologies des piles à combustible depuis les années 1980 pour diverses applications. 

Au début de l'année, l'entreprise a annoncé qu'elle avait commencé à produire des solutions d'alimentation par pile à hydrogène en collaboration avec General Motors (GM) pour diverses applications de produits et ce qu'elle appelle "le début de l'ère de l'hydrogène".

Avec une capitalisation boursière de $64,85 milliards, les actions de la société se négocient à $36,93, en hausse de 19,22% depuis le début de l'année (YTD). Honda Motor a réalisé un chiffre d'affaires (TTM) de $128,49 milliards et affiche un BPA (TTM) de 7,73 et un P/E (TTM) de 4,77. La société offre également un rendement du dividende de 2,77%.

#2. Dow Chemical Company

The Dow Chemical Company est présente dans divers secteurs, dont celui des hydrocarbures et de l'énergie. Elle s'est récemment associée à Linde (NYSE : LIN) pour fournir de l'hydrogène et de l'azote propres à son site intégré de craquage d'éthylène et de produits dérivés à émissions nettes nulles au Canada. L'accord a été finalisé à la fin de l'année dernière pour le projet de $6,5 milliards. Dans le cadre de cet accord, Linde déploiera la technologie de séparation de l'air et de reformage auto-thermique pour convertir en hydrogène les effluents gazeux du craqueur du site.

Avec une capitalisation boursière de plus de $39,9 milliards, les actions de Dow Chemical se négocient à $56,76, en hausse de 3,5% depuis le début de l'année. Dow Chemical a enregistré un chiffre d'affaires (TTM) de $44,62 milliards, un BPA (TTM) de 0,81 et un P/E (TTM) de 69,67. La société verse également un rendement du dividende de 4,93%.

#3. McPhy Energy SA

Cette société basée en France développe des solutions de production et de stockage d'hydrogène. L'année dernière, McPhy a élargi son accord commercial avec Chart Industries, Inc. (NYSE : GTLS), en vertu duquel cette dernière fournira des procédés et des équipements liés à l'hydrogène pour la compression et la liquéfaction de l'hydrogène. 

Tout récemment, l'entreprise leader dans la technologie et la fabrication d'électrolyseurs a remporté un contrat auprès de la société suédoise AAK AB pour la fourniture de son électrolyseur 800-30 d'une capacité de 4 MW et des pièces détachées correspondantes qui permettront à la société suédoise d'utiliser de l'hydrogène à faible teneur en carbone comme gaz de traitement.

Avec une capitalisation boursière de 47,18 milliards d'euros, l'action de la société (MCPHY-FR : Euronext Paris) se négocie à 1,69 euro, en baisse de 49,97% depuis le début de l'année. Elle affiche un bénéfice par action (TTM) de -0,69 et un ratio cours/bénéfice (TTM) de -1. Le mois dernier, McPhy a publié le résultat de l'exercice 2023, au cours duquel elle a enregistré une croissance annuelle de son chiffre d'affaires de +17% à 18,8 millions d'euros et une croissance encore plus forte de +25% pour son activité d'électrolyseur. Elle a également fait état d'une trésorerie d'environ 62 millions d'euros à fin décembre.

Conclusion 

Le marché du stockage de l'énergie sous forme d'hydrogène est appelé à connaître une croissance rapide et devrait dépasser le milliard d'euros. l'évaluation de $17,6 milliards d'euros au cours des huit prochaines années, les gouvernements investissant massivement dans les infrastructures basées sur l'hydrogène, selon Global Market Insights. Le segment des transports devrait notamment connaître une croissance significative, avec un taux de croissance annuel moyen de 10%, grâce au rôle de l'hydrogène dans la réduction substantielle des émissions de carbone au sein de l'industrie. 

Compte tenu du potentiel de l'hydrogène en tant que source d'énergie plus propre et plus efficace, il continuera d'être adopté non seulement dans le secteur des transports, mais aussi dans d'autres industries. Grâce aux recherches en cours et aux nouvelles découvertes, nous pourrons enfin assister à une adoption beaucoup plus large, ce qui nous aidera à atteindre des émissions nettes de carbone nulles.

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