Produire de l’hydrogène à partir de CeO2 ? Utilisez simplement un micro‑ondes pour des résultats rapides

Les combustibles fossiles nuisent à notre climat. Comme nous le savons, le monde se dirige rapidement vers des sources d’énergie renouvelables, durables et vertes. Dans cette recherche de carburants respectueux du climat, l’hydrogène est apparu comme une source potentielle de décarbonisation.

La technologie a rendu possible la production d’hydrogène avec zéro ou très peu d’émissions de gaz à effet de serre. L’intérêt pour l’hydrogène est si fort que le Département de l’Énergie des États-Unis a fixé des objectifs nationaux d’augmenter la production annuelle d’«hydrogène propre» de presque zéro à 10 millions de tonnes métriques d’ici 2030 et 50 millions de tonnes métriques d’ici 2050. 

Cependant, il existe un goulot d’étranglement critique dans le processus. Les méthodes thermoélectriques traditionnelles, qui dépendent de l’oxydoréduction des oxydes métalliques, nécessitent des opérations à très haute température. La température peut atteindre jusqu’à 1500 degrés centigrades. 

Récemment, une équipe de chercheurs de POSTECH, l’Université de science et technologie de Pohang, Corée, a trouvé un moyen de contourner ce goulot d’étranglement.

Le processus implique une source d’énergie familière mais sous‑utilisée: l’énergie «micro‑ondes». Oui ! Vous ne vous trompez pas. C’est la même source utilisée dans les fours à micro‑ondes domestiques. La recherche s’intitule ‘Évaluation thermodynamique du CeO₂ dopé au Gd pour la réduction thermochimique assistée par micro‑ondes.¹‘ 

Dans le segment suivant, nous discutons des implications de cette recherche. 

Une technologie révolutionnaire qui répond aux principales limites de la production d’hydrogène propre à l’aide de micro‑ondes

L’équipe était composée de chercheurs interdisciplinaires travaillant à POTECH et était dirigée par le professeur Gunsu S. Yun. Elle comprenait le doctorant Jaemin Yoo (département de physique, division de l’ingénierie nucléaire avancée), le professeur Hyungyu Jin, et le doctorant Dongkyu Lee (département de génie mécanique). Reconnu comme une percée dans la quête d’une énergie durable, la recherche a été présentée sur la couverture intérieure du Journal of Materials Chemistry A.

Les chercheurs ont commencé avec le postulat que, bien que les micro‑ondes puissent chauffer les aliments efficacement, elles peuvent également déclencher des réactions chimiques. Ils ont appliqué cette idée à la réduction de la température de réduction de la céria dopée au Gd (CeO2). La céria dopée au Gd (CeO2) est un matériau de référence pour la production d’hydrogène, et l’énergie micro‑ondes pourrait réduire la température de réduction de ce matériau de plus de 60 % – à moins de 600 degrés centigrades. 

L’énergie micro‑ondes pourrait remplacer 75 % de l’énergie thermique nécessaire à la réaction. Cette découverte est à juste titre une percée pour la production d’hydrogène durable.

“Cette recherche a le potentiel de révolutionner la viabilité commerciale des technologies de production d’hydrogène thermochimique. Elle ouvrira également la voie au développement de nouveaux matériaux optimisés pour les processus chimiques entraînés par micro‑ondes.”

Le professeur Gunsu Yun a qualifié l’introduction de ce nouveau mécanisme et le dépassement des limitations du processus existant de «grandes réalisations» qui ne pouvaient être rendues possibles que grâce à la collaboration interdisciplinaire étroite de l’équipe de recherche. 

Une autre percée réalisée par l’équipe a été de créer des vacants d’oxygène. Ce sont des défauts de structure du matériau qui aident à scinder l’eau en hydrogène. Alors que les méthodes traditionnelles peuvent prendre des heures à très haute température, l’équipe de POSTECH a montré comment les mêmes résultats pouvaient être obtenus en quelques minutes à des températures inférieures à 600 °C en exploitant la technologie micro‑ondes.

Bien que la recherche de POSTECH ait offert une percée importante, de nombreuses autres organisations de recherche à travers le monde sont actives dans la production de méthodes innovantes de production d’hydrogène propre. L’une des organisations à la pointe de cette recherche est le Laboratoire national des énergies renouvelables, un laboratoire national du Département de l’Énergie des États-Unis, Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables, exploité par l’Alliance for Sustainable Energy LLC.

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Production d’hydrogène à faible coût: Autres efforts

Développé en collaboration avec Xcel Energy (XEL ), le projet de démonstration «wind-to-hydrogen (Wind2H2)» du NREL relie les éoliennes et les panneaux photovoltaïques (PV) aux piles d’électrolyseurs, qui font passer l’électricité générée à travers l’eau pour la scinder en hydrogène et oxygène. Le projet est actuellement actif au National Wind Technology Center près de Boulder, Colorado. L’objectif principal du projet est d’améliorer l’efficacité du système de production d’hydrogène à partir de ressources renouvelables en quantités suffisantes et à des coûts suffisamment bas pour concurrencer les sources d’énergie traditionnelles telles que le charbon, le pétrole et le gaz naturel.

Une autre façon de produire de l’hydrogène propre consiste à utiliser la lumière du soleil pour scinder directement l’eau en hydrogène et oxygène. L’industrie photovoltaïque a déjà développé des technologies de cellules multijonctions sophistiquées pour les systèmes photoélectrochimiques (PEC) qui génèrent une tension suffisante pour scinder l’eau et sont stables dans un environnement eau/électrolyte. Le NREL possède son système PEC qu’il a développé.

Le système NREL peut générer de l’hydrogène à partir de la lumière solaire sans le coût et la complexité des électrolyseurs, atteignant une efficacité de conversion solaire‑à‑hydrogène de 12,4 % (valeur calorifique inférieure) en utilisant la lumière capturée. Les recherches futures au NREL se concentrent sur le développement de matériaux et de systèmes plus efficaces, moins coûteux, durables et résistants à la corrosion dans les environnements aqueux.

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Hydrogène biologique 

Une autre voie passionnante que le NREL explore concerne l’«hydrogène biologique». Les scientifiques du NREL développent des technologies de prétraitement pour convertir la biomasse lignocellulosique en matières premières riches en sucres qui peuvent être directement fermentées pour produire de l’hydrogène, de l’éthanol et des produits chimiques à haute valeur ajoutée.

De plus, des efforts sont en cours pour identifier un consortium de Clostridium capable de fermenter directement l’hémicellulose en hydrogène.

D’autres domaines de recherche dans le domaine de l’hydrogène biologique impliquent les suivants:

• Recherche de microbes cellulolytiques efficaces, tels que Clostridium thermocellum, capables de fermenter directement la cellulose cristalline en hydrogène afin de réduire les coûts des matières premières.
• Identification d’une bactérie cellulolytique modèle.
• Exploration du potentiel de la bactérie cellulolytique modèle pour des manipulations génétiques, y compris la sensibilité aux antibiotiques et la facilité de transformation génétique.
• Développement de stratégies pour générer des mutants bloqués sélectivement de la production d’acides résiduels et de solvants afin de maximiser le rendement en hydrogène.

Alors que des organisations, instituts de recherche et laboratoires sont actifs dans le monde entier, les entreprises privées le sont également. 

1. Linde 

L’une des entreprises à la pointe de la production d’hydrogène propre depuis des années est Linde. L’entreprise affirme que sestechnologies innovantes, y compris la compression efficace et le ravitaillement sûr de l’hydrogène, associées à des décennies d’expérience, rendent son infrastructure inégalée. 

Les opérations de l’entreprise, qui visent la production d’hydrogène propre, impliquent plusieurs méthodes et stratégies. L’électrolyse pour la production d’hydrogène vert, par exemple, implique des électrolyseurs alimentés par des énergies renouvelables.

Dans l’électrolyse, l’eau est scindée en hydrogène et oxygène à l’aide d’électricité générée entièrement à partir de sources d’énergie renouvelables. Ce processus se déroule à l’intérieur d’unités appelées électrolyseurs. Bien que les électrolyseurs varient en taille, capacité et technologie, la chimie fondamentale reste la même.

Actuellement, il existe deux principales technologies d’électrolyse: alkaline and PEM (Proton Exchange Membrane) — les deux, selon Linde, pouvant produire de l’hydrogène à haute pureté sur site et à la demande.

 L’électrolyse alcaline utilise deux électrodes séparées par un diaphragme poreux et une solution alcaline liquide comme électrolyte. La solution électrolytique permet le transport des ions hydroxyle entre les électrodes pour former de l’oxygène et de l’hydrogène, mais ils ne sont pas consommés pendant la réaction. La technologie pourrait être fiable tout en étant rentable.

En revanche, l’électrolyse PEM utilise de l’eau pure et un électrolyte polymère solide au lieu d’une solution liquide pour permettre à l’électricité de scinder l’eau en hydrogène et oxygène. Les protons d’hydrogène traversent la membrane, se combinant avec les électrons pour former du gaz H2 du côté cathodique.

Linde propose également des technologies efficaces de capture du carbone pour l’utilisation et le stockage (CCUS) pour une gamme de stratégies. Elle dispose de solutions de livraison innovantes pour injecter l’hydrogène dans les pipelines de gaz naturel existants afin de servir une grande variété d’applications finales. 

Linde gère des opérations de stockage d’hydrogène très avancées, l’hydrogène étant stocké dans des cavernes souterraines de sel. En plus d’être un partenaire expérimenté dans le développement de parcs énergétiques, Linde exploite depuis plus d’une décennie la première caverne commerciale d’hydrogène à haute pureté. Elle possède également des décennies d’expérience dans la construction de systèmes de liquéfaction d’hydrogène pour produire de l’hydrogène liquide afin de faciliter le stockage et le transport.

Selon les dernières données financières disponibles, Linde a enregistré des ventes d’une valeur de 8,356 milliards de dollars US pour le trimestre se terminant le 30 septembre 2024. 

2. Air Products

Une autre entreprise qui contribue de manière significative à la production d’hydrogène propre est Air Products. L’entreprise estime que la production d’hydrogène propre à partir de sources d’énergie renouvelables sera essentielle pour décarboniser les processus industriels difficiles à électrifier comme la sidérurgie et la transformation chimique.

L’entreprise a déjà engagé 15 milliards de dollars US dans des projets qui feront progresser la production d’hydrogène à faible émission de carbone et accéléreront la transition énergétique. 

Les applications d’hydrogène propre de l’entreprise comprennent le ravitaillement en hydrogène pour les automobiles, les bus, les chariots élévateurs, les navires, les trains et les camions. Le transport routier représente près de 12 % des émissions mondiales. Convertir les bus diesel en bus à pile à combustible à hydrogène zéro émission peut réduire les émissions mondiales de gaz à effet de serre et améliorer la qualité de l’air. Air Products est un leader dans le ravitaillement des bus à hydrogène et est impliqué dans des projets à travers le monde. 

NEOM Green Hydrogen Company (NGHC), une coentreprise de production égale d’ACWA Power, Air Products et NEOM, met en place la plus grande installation de production d’ammoniac à base d’hydrogène vert au monde, fonctionnant à l’énergie renouvelable. Cette usine produira jusqu’à 600 tonnes par jour d’hydrogène sans carbone sous forme d’ammoniac vert comme solution rentable pour les secteurs du transport et de l’industrie à l’échelle mondiale.

Le nouveau complexe énergétique d’hydrogène net zéro d’Air Products est destiné à faire d’Edmonton, Alberta, le centre de l’économie de l’hydrogène de l’ouest du Canada. Alors que la construction progresse à Edmonton dans le nouveau complexe transformateur d’hydrogène d’Air Products, connecter cette installation au réseau de pipelines existant de l’entreprise aidera ses clients raffineurs et pétrochimiques à réduire l’intensité carbone de leurs produits énergétiques et à améliorer leurs performances de durabilité. De plus, l’installation de liquéfaction de classe mondiale aidera à accélérer l’utilisation de l’hydrogène comme carburant de transport sans émission à travers l’ouest du Canada. 

Le Complexe d’énergie propre de la Louisiane d’Air Products produira de l’hydrogène à faible émission de carbone pour alimenter les marchés de mobilité et industriels de la région du Golfe et au-delà. L’installation devrait capturer et séquestrer 95 % de ses émissions de dioxyde de carbone (plus de 5 millions de tonnes par an), séquestrant de façon permanente le CO₂ dans des pores géologiques idéaux en Louisiane. 

Ce projet est le plus grand investissement américain d’Air Products, construit dans l’intention d’aider l’État de Louisiane à réduire ses émissions de GES à zéro net d’ici 2050. 

Air Products prévoit également d’investir environ 500 millions de dollars pour construire, posséder et exploiter une installation de 35 tonnes métriques par jour afin de produire de l’hydrogène liquide vert sur un site vierge à Massena, New York, tout en mettant en place des opérations de distribution et de distribution d’hydrogène liquide. Le projet évitera 6 millions de tonnes de CO₂ sur la durée de vie du projet. Le projet utilisera l’énergie hydroélectrique du fleuve Saint-Laurent pour alimenter la production d’hydrogène liquide sans carbone.

Pour l’exercice se terminant le 30 septembre 2024, l’entreprise avait enregistré un chiffre d’affaires de plus de 12 milliards de dollars US. 

Vers l’avenir avec l’hydrogène propre

Il y a suffisamment d’encouragements pour que les entreprises et les organisations de recherche continuent de développer de nouvelles méthodes de production d’hydrogène fiables et rentables. Le Département de l’Énergie des États-Unis, par exemple, a sélectionné jusqu’à sept lauréats en 2023 pour son financement collectif de 7 milliards de dollars alloué par la loi bipartite sur les infrastructures afin de mettre en place une série de «pôles d’hydrogène». Pour être éligibles, chaque pôle devait démontrer de manière convaincante qu’il pouvait «produire au moins 50 à 100 tonnes métriques d’hydrogène propre par jour et réduire les émissions de gaz à effet de serre».

Les participants les plus actifs cités parmi les pôles d’hydrogène choisis par le DOE comprenaient des entreprises telles que AES Corporation (AES ), Air Liquide (AIL.DE ), Amazon (AMZN ), Bloom Energy (BE ), Chevron (CVX ), ExxonMobil (XOM ), GTI Energy, Holtec, Mitsubishi Power Americas, Plug Power (PLUG ), et (TRP ). 

Des technologies de pointe peuvent également être impliquées dans l’avancement de la production et de la distribution d’hydrogène. Le NREL, par exemple, effectue des tests accélérés et des cycles de tuyaux de distribution d’hydrogène à 700 bar auEnergy Systems Integration Facility en utilisant des robots automatisés pour simuler les conditions de terrain. Ici, les robots imitent le stress répétitif d’une personne pliant et tordant un tuyau pour distribuer de l’hydrogène dans le réservoir de stockage embarqué d’un véhicule à pile à combustible. Les chercheurs étudient les efficacités mécaniques, thermiques et de pression des nouveaux et anciens tuyaux de distribution d’hydrogène.

L’hydrogène connaît un véritable engouement, et cet élan ne peut que croître à partir de maintenant. Selon les organisations qui suivent ledéploiement mondial des projets d’hydrogène, 680 projets de production d’hydrogène à grande échelle ont été annoncés en 2022 seulement, représentant 240 milliards de dollars d’investissements directs. REL effectue également régulièrement des analyses à l’échelle du système sur diverses voies de production et de distribution d’hydrogène durable afin d’aider à déterminer les améliorations d’état résultant des avancées technologiques, du coût en fonction du volume de production, et du potentiel de réduction des coûts.

Il ne fait aucun doute que l’investissement dans l’hydrogène jusqu’en 2030, tandis que les fonds de capital‑investissement et les sociétés de capital‑risque ont investi des montants records dans les entreprises d’hydrogène à différents stades de développement en 2022, offrant 3,1 milliards de dollars en capital‑investissement aux entreprises liées à l’hydrogène et 2,6 milliards de dollars en capital‑risque à travers 192 start‑ups du secteur.

En parlant de l’importance de cet élan, Adria Wilson, directrice de l’équipe US Policy & Advocacy de Breakthrough Energy, a déclaré que les récentes victoires politiques signifient que l’hydrogène propre et abordable sera un outil de décarbonisation dont nous disposerons dans la prochaine décennie, voire plus tôt.

Cependant, tout en étant pleinement optimiste, il faut aussi se rappeler qu’il reste encore beaucoup à faire. Selon les chiffres fournis par le World Resources Institute, 95 % de l’hydrogène est produit à partir de combustibles fossiles, généralement via un processus connu sous le nom de reformage à la vapeur de méthane (SMR), dans lequel l’eau est chauffée à haute température pour produire de la vapeur qui réagit avec le gaz naturel et produit de l’hydrogène et du dioxyde de carbone (CO₂). Le processus reste fortement émetteur de GES, libérant de 10 à 14 kilogrammes d’équivalent CO₂ par kilogramme d’hydrogène, une quantité similaire aux émissions de carbone produites et brûlées par un gallon d’essence.

Les méthodes de production d’hydrogène propre devraient nous aider à éliminer de telles méthodes. La transition devra être rapide tout en étant réalisée par des méthodes durables.

Cliquez ici pour une liste des meilleures actions d’énergie propre avec un focus sur la durabilité.