Avancées de la production d’hydrogène avec l’électrolyse à base de nickel

Faire progresser l’électrolyse pour la production d’hydrogène

L’hydrogène est envisagé pour remplacer certains usages des combustibles fossiles, notamment dans les piles à combustible et les procédés industriels difficiles à électrifier directement. Son intérêt climatique dépend toutefois de sa production et de l’ensemble de sa chaîne d’approvisionnement.

L’hydrogène est généralement produit à partir d’autres substances plutôt qu’extrait de gisements facilement exploitables. L’électrolyse est une voie possible, mais en 2024 la production mondiale reposait surtout sur les combustibles fossiles.

L’électrolyse utilise de l’électricité pour décomposer l’eau en hydrogène et en oxygène. La consommation électrique et le coût des équipements sont des enjeux importants. Certaines technologies utilisent aussi des catalyseurs coûteux, comme le platine, mais ce n’est pas le cas de tous les électrolyseurs.

Une équipe coréenne a étudié une structure de nickel destinée à améliorer le dégagement des bulles d’hydrogène. Le nickel est plus abondant et moins coûteux que les métaux précieux, mais les résultats de laboratoire ne suffisent pas à établir le coût d’une installation industrielle.

Des nanostructures de nickel pour faciliter la production d’hydrogène

L’équipe du professeur Jong Kyu Kim, au département de science et génie des matériaux de POSTECH, l’Université des sciences et technologies de Pohang, en Corée, a étudié un problème lié aux bulles de gaz pendant l’électrolyse.

Source: POSTECH

Les bulles d’hydrogène peuvent rester attachées à la surface de l’électrode et masquer des sites actifs. Elles gênent alors l’accès de l’eau et le transport des espèces nécessaires à la réaction, ce qui peut diminuer les performances.

L’équipe a fabriqué des réseaux de nanotiges de nickel par dépôt oblique. Leur structure favorise la « superaérophobie », c’est-à-dire une faible adhérence des bulles de gaz sous l’eau, qui facilite leur détachement.

Le départ des bulles libère la surface et facilite l’accès de l’eau aux sites de réaction.

Source: POSTECH

Les chercheurs rapportent une amélioration d’environ 55 fois de la performance de production d’hydrogène par rapport à un film mince contenant une quantité équivalente de nickel. Cette comparaison expérimentale ne signifie pas que le rendement énergétique de tout l’électrolyseur est multiplié par 55.

Étendre au-delà des catalyseurs à base de nickel

Le principe de structuration de la surface pourrait être étudié avec d’autres catalyseurs. Une performance identique pour tous les matériaux n’a toutefois pas été démontrée : stabilité, fabrication et conditions de réaction doivent être vérifiées.

Électrolyse améliorée

À la date de cet article, la production mondiale d’hydrogène dépendait largement du gaz naturel et du charbon. Sans captage du carbone, ces procédés émettent d’importantes quantités de gaz à effet de serre.

L’électrolyse alimentée par une électricité renouvelable peut produire de l’hydrogène à faibles émissions, souvent appelé hydrogène vert. Elle n’est pas nécessairement sans émissions sur l’ensemble du cycle de vie.

Réduire le coût de cette chaîne peut rendre l’hydrogène plus compétitif pour certains usages, sans garantir qu’il sera la meilleure solution partout.

Des surfaces structurées pourraient notamment être étudiées avec des catalyseurs à base de platine. Leur intérêt dépendrait des performances et du coût global.

Une autre piste serait leur association avec des catalyseurs comme ceux à base de ruthénium, de silicium et de tungstène (RuSiW), présentés dans notre article « De nouveaux électrocatalyseurs pourraient rendre l’hydrogène vert plus compétitif face à l’hydrogène gris ». Cette combinaison reste à valider.

Chaîne d’approvisionnement en hydrogène améliorée

L’électrolyse n’est qu’une étape de la chaîne de l’hydrogène. Le stockage, le transport et l’utilisation finale influencent aussi les coûts et les pertes d’énergie.

L’amélioration des piles à combustible peut aider certains véhicules à hydrogène à concurrencer les véhicules à batterie, comme discuté dans « Les batteries seront-elles suivies par une nouvelle génération de véhicules à pile à combustible ? ». Les deux solutions ont des contraintes différentes.

De meilleures solutions de stockage pourraient également faciliter la distribution. Ce sujet est présenté dans « Une avancée dans le confinement rend l’hydrogène plus intéressant comme vecteur énergétique ».

Applications potentielles supplémentaires

La maîtrise de l’adhérence des bulles par des nanostructures pourrait avoir d’autres applications que la production d’hydrogène.

Un hydrogène moins coûteux pourrait réduire une partie du coût de l’ammoniac, mais ne rend pas automatiquement sa synthèse aussi efficace. L’ammoniac est étudié comme carburant maritime, avec des contraintes de toxicité et d’émissions, dans « Décarboner les routes maritimes grâce à l’ammoniac vert ».

Le professeur Jong Kyu Kim évoque aussi des procédés chimiques dans lesquels des réactions de surface et des gaz jouent un rôle important.

Selon son explication, améliorer l’électrolyse peut contribuer au développement d’une économie de l’hydrogène à faibles émissions.

Il cite également des applications potentielles dans la réduction du dioxyde de carbone et la conversion de l’énergie lumineuse. Ces possibilités ne constituent pas une démonstration industrielle pour chaque application.

La réduction du CO2 et la photosynthèse artificielle sont donc des pistes de recherche, distinctes d’un captage du carbone déjà éprouvé. Voir « Photosynthèse artificielle et biodégradabilité : lutter contre la pollution plastique ».

Entreprises de solutions hydrogène

1. Aker Horizons ASA

La recherche sur les nanotiges de nickel s’inscrit dans une série de travaux sur l’hydrogène. Une exposition à plusieurs segments de la filière peut diversifier les activités représentées dans un portefeuille, mais ne garantit pas un rendement.

En 2024, Aker Horizons était une société du groupe norvégien Aker consacrée aux technologies et projets de décarbonation. Ses participations concernaient notamment les énergies renouvelables, l’hydrogène et le captage du carbone.

Source: Aker

Ses projets et participations comprenaient l’hydrogène et l’ammoniac verts, envisagés notamment pour certains usages maritimes en Norvège.

Le groupe cherchait à développer des projets reliant électricité renouvelable, production d’hydrogène et fabrication d’ammoniac. Cela ne signifie pas que toute cette chaîne était déjà intégrée et opérationnelle.

Le portefeuille présenté à l’époque comprenait aussi des activités de valorisation énergétique des déchets en France, de biomasse en Allemagne et de captage du carbone au Moyen-Orient. Les stades d’avancement et les risques variaient selon les projets.

Cette diversité peut intéresser les investisseurs qui étudient la transition énergétique. Elle ne suffit pas à qualifier automatiquement l’action de bon investissement : financement, exécution des projets et conditions de marché restent déterminants.

2.  Ballard Power Systems Inc.

Les principaux marchés futurs de l’hydrogène restent incertains. Il peut servir à produire de l’électricité ou à alimenter certains véhicules, mais ses débouchés pourraient se concentrer sur les usages difficiles à électrifier directement.

Ballard fabrique des piles à combustible et a présenté son premier bus à pile à combustible en 1993.

L’entreprise vise les marchés lourds : bus, camions, trains, navires, mines, construction et production d’électricité. Dans ses prévisions disponibles à l’époque, elle anticipait un rôle important des camions en 2025, avec l’Europe représentant 50–60% de son marché et l’Amérique du Nord environ 25%. Il s’agissait de projections historiques.

Ses documents envisageaient un marché potentiel des piles à combustible pour camions de 7,5 milliards de dollars en 2030, au sein d’un marché total adressable lié aux camions de 195 milliards. Ces chiffres ne représentent pas des revenus garantis pour Ballard.

Une baisse du coût de production de l’hydrogène pourrait soutenir la demande, mais elle dépendrait aussi des infrastructures, des véhicules et des politiques publiques.

Source: Ballard

La puissance requise et la possibilité d’un ravitaillement rapide rendent l’hydrogène intéressant pour certains véhicules lourds. Les piles à combustible peuvent aussi être envisagées pour des lignes ferroviaires ou des bus sans caténaires. Il s’agit de ravitailler en hydrogène, et non de recharger une batterie.

Source: Ballard

Ballard intervient aussi dans une application utilisant de l’ammoniac, avec un contrat annoncé en 2022 avec Amogy. Le système décompose l’ammoniac pour fournir de l’hydrogène aux piles à combustible ; celles-ci ne consomment pas directement l’ammoniac.

Les véhicules à batterie progressent dans les voitures particulières, tandis que certains usages lourds présentent des difficultés différentes pour réduire leurs émissions.

Ballard pourrait profiter d’un développement de la filière hydrogène et de coûts de production plus faibles. Ses résultats restent toutefois soumis à la concurrence, au financement et au rythme d’adoption ; les avancées sur le nickel ne garantissent pas une baisse rapide des coûts industriels.