L’hydrogène devient plus attractif comme source d’énergie grâce à une percée dans le 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 couramment trouvé. C’est l’élément chimique le plus simple, avec seulement un proton et un électron, et il est incolore, insipide et inodore. 

Fait intéressant, l’hydrogène représente environ 75 % de la masse de l’univers. Cependant, il ne constitue qu’environ 0,14 % de la croûte terrestre en poids. Il se trouve naturellement sous forme de composés avec d’autres éléments dans les solides, les liquides et les gaz. Et lorsqu’il se combine avec l’oxygène, cette substance inflammable forme de l’eau (H2O), et en combinaison avec le carbone, il forme des hydrocarbures, que l’on trouve dans le pétrole et le charbon. Ainsi, l’hydrogène peut être produit à partir de nombreuses ressources, y compris l’énergie renouvelable comme le solaire et l’éolien, l’énergie nucléaire et le gaz naturel. 

Notamment, plusieurs découvertes ont été faites de poches de gaz hydrogène se formant naturellement dans des pays comme l’Australie, la Nouvelle-Zélande, le Canada, la France, l’Allemagne, le Japon et la Russie. Actuellement, les scientifiques explorent l’étendue de ces réserves dans ces pays, ainsi que leurs origines et les effets potentiels sur les environnements environnants si elles sont extraites.

Hydrogène comme source d’énergie

Les méthodes les plus courantes pour produire du carburant à base d’hydrogène comprennent les procédés thermiques, l’électrolyse, l’électrolyse alimentée par photovoltaïque, les procédés solaires et les processus biologiques. 

Thermique

Dans le procédé thermique, la vapeur réagit avec un combustible hydrocarboné tel que 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 produite par 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.

Biologique

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

Solaire

Le procédé solaire, comme son nom l’indique, utilise la lumière pour la production d’H de différentes manières telles que la photoélectrochimie (utilise des semi-conducteurs spécialisés pour séparer l’eau en H et O), la photobiologie (exploite l’activité photosynthétique naturelle des bactéries et des algues vertes) et la thermochimie solaire (utilise l’énergie solaire concentrée pour entraîner les réactions de séparation de l’eau).

En plus de toutes ses qualités, l’hydrogène est également un carburant propre, ce qui signifie 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 attrayante pour la production d’électricité et le transport, y compris les voitures et les fusées. La substance à haute densité énergétique et stockable qui ne produit aucun gaz à effet de serre était en réalité utilisée pour alimenter les moteurs à combustion interne il y a plus de deux siècles. 

Ces éléments montrent que l’hydrogène est l’une des principales options pour stocker l’énergie renouvelable et est également utilisé dans de nombreuses industries. Cependant, son véritable potentiel reste à réaliser. Pour cela, l’hydrogène doit être produit à grande échelle de manière économique. De plus, l’infrastructure actuelle doit s’adapter à l’hydrogène, bien qu’il puisse être transporté via des pipelines de gaz.

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

Cadre pour stocker l’hydrogène densément empaqueté

Publié dans la revue Nature Chemistry le mois dernier, l’étude, « Cadres hydridiques à petits pores stockent de l’hydrogène densément empaqueté », a été financée en partie par la Fondation nationale de recherche de Corée (NRF) et la Fondation allemande de recherche (DFG).

Alors que les matériaux nanoporeux suscitent beaucoup d’attention pour le stockage de gaz, l’étude a noté que parvenir à une capacité de stockage volumétrique élevée reste un défi. Ainsi, plusieurs chercheurs de différentes universités se sont réunis pour relever ce problème.

Michael Hirscher, de l’Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) de l’Université de Tohoku au Japon et du Max Planck Institute for Intelligent Systems en Allemagne, a conçu les idées originales et supervisé le projet. Pendant ce temps, Hyunchul Oh de l’Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) en Corée a dirigé ce projet.

Fait intéressant, en 2022, une équipe de scientifiques du Max Planck Institute for Intelligent Systems, du Oak Ridge National Laboratory (ORNL) du Department of Energy (DOE), de la Technische Universität Dresden et de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg ont montré que l’hydrogène se condense sur une surface à très basse température près du point d’ébullition du H2. Ce processus forme une monocouche super-dense, dépassant la densité de l’hydrogène liquide de 3 fois, ce qui réduit le volume à seulement 5 litres par kilogramme de H2.

Aujourd’hui, la dernière étude en question a étudié un cadre de borohydrure de magnésium en utilisant la diffraction de poudre à neutrons, la diffusion inélastique des neutrons, l’adsorption volumétrique de gaz et des calculs ab initio. Le cadre possède de petits pores et un intérieur partiellement chargé négativement et non plat pour l’absorption d’hydrogène (H) et d’azote (N).

L’azote et l’hydrogène occupent des sites d’adsorption nettement différents dans les pores. Ils ont également des capacités limites très différentes de 0,66 N2 et 2,33 H2 par Mg(BH4)2. 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 de type MOF nanoporeuses ainsi que sous forme de polymorphes très denses avec une densité volumétrique d’hydrogène extrême et une capacité gravimétrique élevée.

Ainsi, lorsqu’il s’agit d’hydrogène moléculaire, il est empaqueté extrêmement densément, sa densité étant environ deux fois celle de l’hydrogène liquide.

L’équipe a ensuite utilisé la diffraction de poudre à neutrons (NPD) pour déterminer la position des atomes d’hydrogène dans la structure ainsi que les sites d’adsorption des molécules.

L’étude a noté qu’un cluster pentadihydrogène (le dihydrogène consiste en deux hydrogènes liés par une liaison simple) a été trouvé où les molécules de H2 à une position ont une liberté de rotation. En revanche, les molécules de H2 à une autre position ont une orientation bien définie et une interaction directionnelle avec le cadre. Cela révèle que l’hydrogène densément empaqueté peut en fait être stabilisé dans des matériaux à petits pores sous des pressions atmosphériques normales.

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

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

Permettre le stockage d’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 possède la plus grande énergie par masse, sa faible densité à température ambiante entraîne une énergie moindre par unité de volume. Par conséquent, des méthodes de stockage avancées sont nécessaires pour atteindre une densité énergétique plus élevée.

Actuellement, la technologie de stockage se concentre principalement sur le stockage d’hydrogène moléculaire sous forme liquide ou gazeuse. Mais, bien sûr, il existe des limites à cette technologie actuelle en termes de densité de stockage volumétrique et gravimétrique (quantité d’énergie stockable par gramme ou kilogramme).

Stocker l’hydrogène sous forme gazeuse nécessite des réservoirs à haute pression, tandis que sous forme liquide, des températures cryogéniques sont requises. Il peut également être stocké à la surface ou à l’intérieur d’un solide via 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 (relativement faibles et non ioniques) via la physisorption. Cela désigne un processus où les molécules de gaz se fixent à une surface solide. Cependant, bien que les matériaux très poreux offrent une forte capacité d’absorption gravimétrique d’hydrogène, des améliorations sont nécessaires dans la capacité de stockage volumétrique.

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

Rendu possible grâce au programme de recherche de mi-carrière du NFR et du ministère des Sciences et des TIC (MSIT), l’étude a synthétisé cet hydrure complexe nanoporeux comprenant le cation magnésium (Mg+) et l’hydrure de magnésium, ainsi que le borane solide (BH4)2.

Le matériau résultant permet le stockage de cinq molécules d’hydrogène dans une disposition 3D, réalisant un stockage d’hydrogène à haute densité remarquable. Il montre également une capacité de stockage d’hydrogène de 144 g/L par volume de pores, dépassant largement les méthodes traditionnelles. De façon impressionnante, la densité des molécules d’hydrogène dans le matériau dépasse même celle de l’état solide.

Décrivant le matériau comme un « changement de paradigme » dans le domaine du stockage d’hydrogène, le professeur Oh a déclaré qu’il offre « 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 répond également aux défis du stockage d’hydrogène à grande échelle pour une utilisation généralisée dans les applications de transport public et personnel.

Entreprises qui tireront profit de ce développement 

Si nous parlons des industries qui peuvent bénéficier de telles recherches, qui transforment le stockage de l’hydrogène, un large éventail de secteurs vient à l’esprit, notamment la chimie, l’énergie, l’automobile, l’ingénierie et la construction. Ainsi, examinons quelques-unes des entreprises qui peuvent en profiter : 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

L’entreprise automobile basée au Japon a promis de réduire ses émissions de CO2 et affirme être l’une des premières à se concentrer sur le potentiel de l’énergie hydrogène. 

Pour atteindre ces objectifs, Honda Motor Company recherche les technologies de piles à combustible depuis les années 1980 pour diverses applications. 

Plus tôt cette année, l’entreprise a annoncé qu’elle avait commencé la production de solutions d’énergie à pile à combustible 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 de dollars, les actions de l’entreprise se négocient à 36,93 $, en hausse de 19,22 % depuis le début de l’année (YTD). Honda Motor a affiché un chiffre d’affaires (TTM) de 128,49 milliards de dollars et un BPA (TTM) de 7,73 ainsi qu’un PER (TTM) de 4,77. L’entreprise verse également un rendement de dividende de 2,77 %. 

#2. Dow Chemical Company

Dow Chemical Company intervient dans divers secteurs, notamment les hydrocarbures et l’énergie. Récemment, elle s’est associée à Linde (NYSE: LIN) pour fournir de l’hydrogène propre et de l’azote à son site intégré de craquage d’éthylène et de dérivés à émissions nettes zéro carbone au Canada. L’accord a été finalisé à la fin de l’année dernière pour le projet de 6,5 milliards de dollars. Dans le cadre de l’accord, elle déploiera la technologie de séparation d’air et de reformage auto-thermique de Linde pour convertir le gaz de sortie du craqueur du site en hydrogène.

Avec une capitalisation boursière de plus de 39,9 milliards de dollars, les actions de Dow Chemical se négocient à 56,76 $, en hausse de 3,5 % depuis le début de l’année (YTD). Dow Chemical a affiché un chiffre d’affaires (TTM) de 44,62 milliards de dollars, un BPA (TTM) de 0,81 et un PER (TTM) de 69,67. L’entreprise verse également un rendement de dividende de 4,93 %. 

#3. McPhy Energy SA

L’entreprise 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), selon lequel cette dernière fournira des procédés et équipements liés à l’hydrogène pour la compression et la liquéfaction de l’hydrogène. 

Plus récemment, la société leader en technologie et fabrication d’électrolyseurs a remporté un contrat de la part de AAK AB en Suède pour fournir son électrolyseur 800-30 d’une capacité de 4 MW et les pièces de rechange associées, ce qui permettra à l’entreprise suédoise d’utiliser de l’hydrogène à faible teneur en carbone comme gaz de procédé.

Avec une capitalisation boursière de 47,18 milliards, les actions de la société (MCPHY-FR: Euronext Paris) se négocient à 1,69 € EUR, en baisse de 49,97 % depuis le début de l’année (YTD). Elle affiche un BPA (TTM) de -0,69 et un PER (TTM) de -1. Le mois dernier, McPhy a publié les résultats de l’exercice 2023, montrant une croissance du chiffre d’affaires annuel de +17 % à 18,8 millions d’euros et une croissance encore plus forte de +25 % pour son activité d’électrolyseurs. Elle a également indiqué une trésorerie d’environ 62 millions d’euros à la fin décembre.

Conclusion 

Le marché du stockage d’énergie à base d’hydrogène est prêt pour une croissance rapide, projeté pour dépasser une valorisation de 17,6 milliards de dollars au cours des huit prochaines années alors que les gouvernements investissent massivement dans les infrastructures basées sur l’hydrogène, selon Global Market Insights. Notamment, le segment du transport devrait entraîner une croissance significative, avec un taux de croissance annuel composé prévu de 10 %, alimenté par le rôle de l’hydrogène dans la réduction substantielle des émissions de carbone dans 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 transport mais aussi dans d’autres industries. Avec la recherche continue et de nouvelles découvertes, nous pourrons enfin voir une adoption beaucoup plus large, nous aidant à atteindre des émissions nettes de carbone zéro.

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