Débloquer la production efficace d’hydrogène pour une énergie propre

La croissance continue de la population mondiale et de l’économie a entraîné une hausse significative de la demande énergétique, dont environ 80 % est satisfaite par les combustibles fossiles. Ces ressources diminuent non seulement de façon dramatique, mais sont également responsables d’une augmentation considérable des gaz à effet de serre (GES) dans l’environnement.

En conséquence, l’accent se porte désormais de plus en plus sur les sources d’énergie renouvelables, telles que le soleil, le vent, l’eau, la matière organique et la chaleur de la Terre.

Issues provenant de ressources naturelles qui se régénèrent, les sources d’énergie renouvelable sont essentielles pour des systèmes énergétiques propres et durables. Cependant, elles font face à de nombreux défis, notamment une disponibilité irrégulière, des coûts initiaux élevés, des limitations géographiques et des exigences d’espace importantes. 

Ceci est là où l’hydrogène entre en jeu. La demande mondiale d’hydrogène a grimpé à 97 millions de tonnes (Mt) en 2023, en hausse de 2,5 % par rapport à l’année précédente. 

Le rôle de l’hydrogène dans la transition énergétique propre

L’élément le plus léger de l’univers, hydrogène, s’est imposé comme une solution prometteuse pour parvenir à un écosystème énergétique plus durable grâce à sa flexibilité et à sa capacité à stocker une quantité importante d’énergie par rapport à son poids.

Ce n’est pas une source primaire comme le soleil mais une source secondaire, puisqu’il doit être produit à partir d’autres matières premières telles que l’eau, le gaz naturel ou la biomasse.

Lorsqu’il est produit à partir de combustibles fossiles tels que le gaz naturel (qui est actuellement la méthode la plus courante), l’hydrogène n’est pas une énergie propre, car il génère d’importantes émissions annuelles de CO₂.

Cependant, lorsqu’il est utilisé dans une pile à combustible, l’hydrogène ne produit que de la vapeur d’eau comme sous-produit, ce qui en fait un carburant propre.

En tant que vecteur énergétique polyvalent, l’hydrogène peut aider à résoudre plusieurs défis énergétiques critiques. Il peut soutenir l’intégration des énergies renouvelables dans le système électrique en stockant l’énergie pendant des semaines voire des mois.

L’hydrogène à faibles émissions produit avec de l’énergie nucléaire ou renouvelable, ou des combustibles fossiles utilisant la capture du carbone, par ailleurs, peut aider décarboniser un éventail de secteurs. L’industrie lourde et le transport longue distance, où la réduction des émissions est particulièrement difficile, peuvent en bénéficier grandement. Cependant, cette production d’hydrogène joue encore un rôle marginal, à moins de 1 % en 2023.

L’hydrogène peut en fait être dérivé de différentes technologies. L’une des méthodes les plus efficaces pour produire  de l’hydrogène durable est l’électrolyse de l’eau. Dans cette électrolyse énergivore, l’électricité est utilisée pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène. La technologie est bien développée et disponible commercialement, bien que son efficacité énergétique estimée soit d’environ 52 %.

Une autre approche est la plasmolyse, qui a montré le rendement énergétique comparable à l’électrolyse, avec l’avantage supplémentaire d’une consommation d’énergie réduite, d’un coût principal moindre et d’une taille d’équipement plus petite. Les avancées récentes en microfluidique et micro-plasmas ont rendu la production d’hydrogène par plasmolyse de vapeur d’eau lucrative en termes d’efficacité énergétique.

D’autres moyens de dériver l’hydrogène pour l’électricité incluent la photocatalyse, le biohydrogène et les procédés thermochimiques.

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Bien que la technologie de l’hydrogène soit prometteuse, son utilisation généralisée l’utilisation fait encore face à des difficultés en termes de coût de production, d’efficacité, et de durabilité environnementale globale. Étant donné le besoin de sources d’énergie plus propres, les chercheurs du monde entier cherchent constamment à résoudre ces problèmes avec de nouveaux matériaux et de meilleures technologies.

Innovations de catalyseurs améliorant l’efficacité de l’hydrogène

À mesure que les technologies de l’hydrogène passent du concept à la commercialisation, l’un des principaux défis concerne les matériaux qui rendent ces systèmes efficaces et évolutifs. Pour y remédier, les scientifiques travaillent sur diverses approches.

Par exemple, une étude du siège de l’Académie chinoise des sciences, publiée¹ ce mois-ci dans Nature, a présenté un petit catalyseur à base de fer comme alternative au platine dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), avec le potentiel de transformer l’avenir de l’énergie propre.

Les PEMFC sont des dispositifs d’énergie propre qui produisent de l’électricité à partir d’hydrogène et d’oxygène, l’eau étant le seul sous-produit. Mais ils dépendent fortement du platine rare et coûteux comme catalyseur. Ainsi, pour aider à leur adoption généralisée, les chercheurs ont développé un catalyseur à base de fer haute performance pour ces piles à combustible.

Grâce à son ingénieux design « activation interne, protection externe », le nouveau catalyseur peut atteindre d’excellentes performances tout en réduisant les sous-produits nocifs.

Bien que les catalyseurs Fe/N–C figurent parmi les alternatives les plus prometteuses aux catalyseurs à base de métaux du groupe du platine, leur activité et durabilité ne répondent pas aux critères de performance. Ainsi, l équipe a conçu et développé un nouveau type de catalyseur Fe/N–C composé de nombreuses nanoprotrusions réparties sur des couches de carbone 2D avec des sites atomiques de fer uniques intégrés dans la surface courbée interne des nanoprotrusions. 

En conséquence, le nouveau catalyseur a pu offrir des performances « parmi les meilleures » de PEMFC sans métal du groupe du platine, conservant 86 % de son activité même après plus de 300 heures de fonctionnement continu.

Une autre technologie clé pour produire de l’hydrogène de manière climatiquement neutre via l’électrolyse de l’eau est l’électrolyse à membrane échangeuse de protons (PEM-WE).

Afin d’accélérer la réaction souhaitée, les électrodes sont revêtues de catalyseurs électrochimiques spéciaux. Pour l’anode, les catalyseurs à base d’iridium sont couramment utilisés, notamment pour la réaction acide d’évolution de l’oxygène (OER).

L’OER est l’étape de production d’oxygène du processus de séparation de l’eau qui génère de l’hydrogène propre, mais elle reste difficile et inefficace. Cette réaction est la plus efficace lorsque des catalyseurs à base d’iridium sont employés.

Découvert en 1803, l’iridium n’existe pas sous forme pure dans la nature mais est récupéré commercialement comme sous-produit de la production de platine, palladium, nickel ou cuivre. 

L’iridium est un métal dense et dur qui reste inaltéré par l’air, l’eau et les acides. En raison de ces propriétés, il est utilisé dans les bougies d’allumage, les équipements scientifiques, les catalyseurs, les encres conductrices pour l’électronique, et le traitement du cancer.

Le métal est rarement utilisé sous forme pure en raison des difficultés de préparation et de fabrication; plutôt, il est utilisé sous forme d’alliages de platine.

L’iridium (Ir), cependant, est un métal de grande valeur et l’un des éléments les plus rares naturellement présents dans la croûte terrestre. Les minerais contenant de l’iridium se trouvent en Afrique du Sud, aux États-Unis (Alaska), au Brésil, en Russie, au Myanmar et en Australie.

Sa rareté, combinée à sa forte demande provenant d’industries telles que l’électronique, le rend très coûteux. L’iridium est en fait plus précieux que l’or, coûtant près de 5 000 $ l’once.

Donc, il est logique que, les scientifiques recherchent constamment des nouveaux métaux pour remplacer l’iridium afin de aider à la adoption à grande échelle des PEMWEs. La découverte d’alternatives non-Ir, cependant, n’est pas simple et progresse lentement en raison de l’immense espace de conception impliqué.

Il y a quelques mois, une étude² de l’Advanced Institute for Materials Research (AIMR) de l’Université de Tohoku a détaillé un nouveau catalyseur cristallin poreux comme solution efficace et durable pour la production d’hydrogène propre via l’électrolyse de l’eau. 

Le matériau étudié est du Co3O4 monocristallin mésoporeux dopé avec de l’iridium dispersé atomiquement pour l’OER acide.

La structure spinelle mésoporeuse joue un rôle clé, car elle permet une charge élevée en Ir (13,8 % en poids) sans formation de gros agrégats d’iridium. En plus de fournir de l’espace pour le chargement d’Ir, l’architecture aide également à créer un environnement stable.

Le catalyseur a maintenu ses performances pendant plus de 100 heures avec seulement 248 mV de surtension (η₁₀).

Dans une autre étude récente, des chercheurs ont créé une « megalibrary » pour explorer l’activité catalytique de millions de nanostructures distinctes composées de quelques métaux clés, aidant à rechercher des alternatives aux catalyseurs à base d’Ir pour l’OER à grande échelle et rapidement.

Cliquez ici pour découvrir comment les catalyseurs non nobles ouvrent la voie à un hydrogène abordable.

Découverte rapide de catalyseurs grâce à la nanotechnologie

La dernière étude³ a réellement découvert un nouveau catalyseur pour la production de carburant à base d’hydrogène qui est à la fois économique et économe en énergie.

Publiée ce mois-ci dans le Journal of the American Chemical Society (JACS), la découverte du catalyseur a été réalisée à l’aide d’une nouvelle méga-bibliothèque de nanoparticules, et il égalise ou dépasse les performances de l’iridium dans la production de carburant à base d’hydrogène, à une fraction du coût.

Pendant longtemps, déjà, les chercheurs ont cherché des alternatives à l’iridium. Mais ce que a pris des décennies a été découvert en un après-midi grâce au puissant nouvel outil développé par des scientifiques de l’Université Northwestern.

Cet outil nouvellement inventé s’appelle une megalibrary, la première « usine de données » de nanomatériaux au monde. Chaque de ces bibliothèques contient des millions de nanoparticules distinctes sur une petite puce.

La technologie a ensuite été utilisée, en collaboration avec des chercheurs du Toyota Research Institute (TRI), pour trouver des catalyseurs commercialement pertinents pour la production d’hydrogène. Le matériau a ensuite été mis à l’échelle à l’échelle, et a démontré son fonctionnement dans un dispositif. Tout cela a été réalisé en un temps record.

Pour découvrir de nouveaux catalyseurs, les chercheurs ont utilisé quatre métaux peu coûteux, abondants, tous connus pour leurs performances catalytiques. Ces métaux sont :

1. Cobalt (CO)
2. Chromium (CR)
3. Manganese (MN)
4. Ruthenium (Ru)

La megalibrary a ensuite été utilisée pour dépister rapidement d’innombrables combinaisons de ces métaux afin de trouver un nouveau matériau dont les performances peuvent égaler celles de l’iridium.

L’équipe a effectivement trouvé un tel nouveau matériau comparable aux matériaux à base d’iridium commerciaux en performance de laboratoire. Dans certains cas, la performance les dépassait même à une fraction du coût.

Cette découverte pourrait potentiellement rendre l’hydrogène vert abordable.

De plus, le nouveau matériau démontre l’efficacité de l’approche megalibrary, qui pourrait changer la façon dont les chercheurs découvrent de nouveaux matériaux pour diverses  applications.

Selon le principal auteur de l’étude, Chad A. Mirkin, qui est l’inventeur principal de la plateforme megalibrary et celui qui a réellement introduit les megalibraries il y a environ une décennie, en 2016 :

« Nous avons libéré ce qui est sans doute l’outil de synthèse le plus puissant au monde, permettant de rechercher parmi le nombre énorme de combinaisons disponibles pour les chimistes et les scientifiques des matériaux afin de trouver les matériaux qui comptent. »

Dans le projet megalibrary, l’équipe « a canalisé cette capacité vers un problème majeur du secteur énergétique. » Le problème, comme l’a noté le pionnier de la nanotechnologie Mirkin, était:

« Comment trouver un matériau aussi bon que l’iridium mais plus abondant, plus disponible et beaucoup moins cher ? Ce nouvel outil nous a permis de trouver une alternative prometteuse et de la découvrir rapidement. »

Mirkin est professeur de chimie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et professeur de génie chimique et biologique, de génie biomédical, ainsi que de science et génie des matériaux à la McCormick School of Engineering.

L’hydrogène vert est un besoin crucial du monde, mais il est limité par sa dépendance à l’un des matériaux les plus rares pour fonctionner.

« Il n’y a pas assez d’iridium dans le monde pour répondre à tous nos besoins prévus. »

– Ted Sargent, professeur de chimie au Weinberg et professeur de génie électrique et informatique à la McCormick

Sargent et Mirkin ont travaillé ensemble sur le projet.

« Lorsque nous envisageons de scinder l’eau pour générer des formes alternatives d’énergie, il n’y a pas assez d’iridium du point de vue de l’approvisionnement. »

– Sargent

Découvrir de nouveaux candidats pour remplacer ce métal constituait l’application parfaite pour le nouvel outil, qui peut révolutionner le processus lent et fastidieux de découverte de matériaux traditionnels. Contrairement à la méthode traditionnelle d’essais et erreurs, les nouvelles megalibraries permettent d’identifier rapidement les compositions optimales.

Chaque megalibrary a été créée avec un groupe de centaines de milliers de petites pointes en forme de pyramide pour imprimer des « points » individuels sur une surface. Chaque point présente un mélange soigneusement conçu de sels métalliques qui, lorsqu’ils sont chauffés, sont réduits pour former des nanoparticules uniques, chacune avec une taille et une composition précises.

Selon Mirkin :

« Vous pouvez imaginer chaque pointe comme une petite personne dans un petit laboratoire. Au lieu d’avoir une seule petite personne qui fabrique une structure à la fois, vous avez des millions de personnes. Vous avez donc pratiquement une armée complète de chercheurs déployée sur une puce. »

Au total, la puce contenait 156 millions de particules, chacune formée à partir de différentes combinaisons de Co, Cr, Mn et Ru. Un robot scanner a ensuite analysé simplement leur capacité à réaliser une réaction d’évolution de l’oxygène (OER). 

Cette capacité à dépister les particules pour leurs performances ultimes représente une innovation majeure.

« Pour la première fois, nous avons pu non seulement dépister rapidement les catalyseurs, mais nous avons vu les meilleurs fonctionner correctement à plus grande échelle. »

– Joseph Montoya, co-auteur de l’étude et scientifique principal de recherche chez TRI

Sur la base de l’évaluation, les chercheurs ont sélectionné 40 candidats les plus performants, allant d’une activité faible à élevée, pour des tests supplémentaires en laboratoire. Les oxydes RuCoMnCr ont été mis à l’échelle à des niveaux de milligrammes avant d’être étudiés pour leurs performances catalytiques.

Une composition s’est démarquée à la fin. Cette combinaison précise des quatre métaux était : l’oxyde Ru52Co33Mn9Cr6.

Ainsi, l équipe a pu obtenir un catalyseur multi-métal, qui est en réalité connu pour être plus actif que ses homologues à métal unique.

« Notre catalyseur possède en réalité une activité légèrement supérieure à celle de l’iridium et une excellente stabilité, » a déclaré Mirkin. « C’est rare car le ruthénium est souvent moins stable. Mais les autres éléments de la composition stabilisent le ruthénium. »

Le catalyseur a généré une tension de 1,58 V à 1 A/cm² et de 1,77 V à 3 A/cm².

En ce qui concerne les performances à long terme, ce nouveau catalyseur a fonctionné pendant plus de 1 000 heures avec une haute efficacité et une stabilité remarquable dans un environnement acide sévère, tout en coûtant environ un seizième de l’iridium.

« Il reste beaucoup de travail à faire pour rendre cela commercialement viable, mais c’est très excitant de pouvoir identifier rapidement des catalyseurs prometteurs – non seulement à l’échelle du laboratoire mais aussi pour les dispositifs. »

– Montoya

Dans le processus de recherche d’un nouveau catalyseur, l’équipe a créé d’énormes ensembles de données de matériaux de haute qualité, qui peuvent ouvrir la voie à l’apprentissage automatique et à l’IA pour concevoir la prochaine génération de nouveaux matériaux.

TRI, Northwestern et sa spin‑off Mattiq ont déjà développé un algorithme pour explorer les megalibraries à des vitesses fulgurantes.

Cependant, ce n’est que le début. Tout comme l’IA, l’approche megalibrary peut s’étendre bien au-delà de la découverte accélérée de catalyseurs pour la conversion d’énergie afin de transformer la découverte de matériaux pour presque toutes les technologies, telles que les composants optiques avancés, les dispositifs biomédicaux, les batteries, et plus encore.

« Nous allons rechercher toutes sortes de matériaux pour les batteries, la fusion, et plus encore, » a déclaré Mirkin. « Le monde n’utilise pas les meilleurs matériaux pour ses besoins. Les gens ont trouvé les meilleurs matériaux à un moment donné, en fonction des outils disponibles. Le problème est que nous avons maintenant une énorme infrastructure construite autour de ces matériaux, et nous y sommes coincés. Nous voulons renverser cela. Il est temps de vraiment trouver les meilleurs matériaux pour chaque besoin – sans compromis. »

Investir dans le pouvoir de l’hydrogène

Bloom Energy Corp (BE ) se consacre à la production d’énergie à partir de piles à combustible stationnaires. Elle fournit deux produits commercialement : le Bloom Electrolyzer pour la production d’hydrogène et le Bloom Energy Server pour la génération d’électricité.

L’entreprise produit de l’hydrogène à partir du plus grand électrolyseur du monde, installé au Centre de recherche Ames de la NASA, générant environ 25 % plus d’hydrogène par mégawatt que les électrolyseurs commerciaux tels que le PEM ou l’alcalin.

À ce jour, Bloom Energy a déployé 1,5 GW d’énergie à faible émission de carbone sur plus de 1 200 installations à l’échelle mondiale.

Avec une capitalisation boursière de 12,38 milliards de dollars, les actions BE se négocient à 53,15 $, en hausse de 138,36 % depuis le début de l’année. Récemment, le cours de l’action a dépassé les 55 $ pour atteindre de nouveaux sommets grâce à l’intérêt croissant des hyperscalers et des centres de données. De plus, en juillet, l’entreprise a conclu un accord majeur avec Oracle (ORCL ) et a laissé entendre d’autres accords similaires à l’avenir.

Elle affiche un BPA (TTM) de 0,11 et un PER (TTM) de 495,23.