Le chaînon manquant de l'économie de l'hydrogène

Le prof. Johan Martens (KU Leuven) a mis au point un panneau à hydrogène qui change la donne

Traduire la combinaison de la chimie et de la physique en solutions pour des problèmes de la vie réelle. Voilà, en quelques mots, la mission de l'équipe du professeur Johan Martens, du département 'Chimie de surface et Catalyse' de la KU Leuven. Il y a quelques années, cette équipe a mis au point un panneau qui permet de produire de l'hydrogène directement à partir de la vapeur d'eau présente dans l'air. Nous nous sommes demandé comment cette technologie a évolué entre-temps et quelles recherches sont actuellement menées par son équipe.

de l'Hydrogène directement issu de l'air

Les résultats de la recherche consacrée au panneau producteur d'hydrogène ont fait grand bruit. Obtenir de l'hydrogène de cette manière, directement extrait de l'air, peut-on cataloguer cela comme une percée scientifique?
Le professeur Martens approuve: "Certainement. Nous avons développé en laboratoire un panneau qui ressemble visuellement à un panneau solaire photovoltaïque, mais qui remplit une fonction complètement différente. Le panneau producteur d'hydrogène capte l'humidité de l'air et utilise l'énergie du soleil pour séparer les molécules d'eau en hydrogène et en oxygène. Il n'utilise que des matériaux peu coûteux et ne contient pas d'éléments rares tels que le platine."

"Ce panneau produit de l'hydrogène à basse pression. Cet hydrogène peut être stocké sous pression sur place (à l'aide d'un compresseur) pour une utilisation ultérieure, ou transporté jusqu'au consommateur par des pipelines. Inutile de dire l'impact que cela pourrait avoir sur notre économie énergétique. En outre, l'air contient suffisamment d'humidité à peu près partout, de sorte que le panneau peut être utilisé presque partout dans le monde, sauf dans les endroits les plus secs."

"La technologie de l'hydrogène n'est évidemment pas nouvelle, mais produire de l'hydrogène vert changera vraiment la donne. Pour ce faire, on peut utiliser l'électrolyse, ce processus étant alimenté par l'énergie éolienne ou solaire. Mais comme vous le savez, ces formes d'énergie souffrent de leur nature fluctuante: la production n'est possible que lorsqu'il y a du soleil ou du vent. A mon avis, notre découverte est le chaînon manquant de la transition énergétique, car nous combinons la même chaîne dans un seul panneau: nous utilisons l'énergie photovoltaïque pour faire fonctionner des techniques telles que les adsorbants, les catalyseurs et les membranes, avec l'hydrogène comme produit final pouvant être stocké. Il n'est donc plus nécessaire d'attendre le soleil ou le vent: on produit de l'hydrogène dès qu'il fait clair. Et on peut facilement le stocker pour une utilisation ultérieure."

"En combinant astucieusement la chimie et la physique, nous pouvons relever des défis complexes"

La miniaturisation est la clé

"Ces dernières années, nous avons travaillé dur pour commercialiser cette technologie. Au cours de nos recherches, nous sommes passés du niveau macro – la solution avec l'électrolyse – à une échelle beaucoup plus petite dans une solution unique. Au départ, c'était donc surtout une question de miniaturisation et d'intégration pour produire un panneau fonctionnel."

"Notre système consistait en une combinaison artisanale de divers composants qui convenaient parfaitement pour mener à bien nos recherches, mais pas pour fabriquer un produit commercial. Pour commercialiser un produit à grande échelle, on ne peut pas se contenter de copier à l'identique le produit du laboratoire. Nous nous concentrons donc actuellement sur la commercialisation via une spin-off, qui développe le panneau de manière à ce qu'il puisse également être produit de manière automatisée."

"Le coût peut alors suivre le même chemin que celui des panneaux photovoltaïques. Maintenant que ces derniers sont produits à grande échelle, le coût pour le consommateur a considérablement baissé."

"En termes d'applications, nous nous intéressons principalement au marché résidentiel. La quantité d'hydrogène produite par panneau est limitée, mais un toit de panneaux est suffisant pour répondre à la demande énergétique d'un bâtiment standard."

"Les applications industrielles à grande échelle, comme dans l'industrie chimique, sont un peu plus difficiles, car elles impliquent une plus grande demande d'hydrogène et des besoins d'espace correspondants. Ce en quoi je crois fermement, c'est l'industrie agroalimentaire, où l'espace nécessaire est disponible. Il est d'ailleurs parfaitement possible de combiner nos panneaux avec certaines cultures qui nécessitent moins de lumière solaire, voire qui bénéficient d'une culture sans lumière directe du soleil."

Transport de l'hydrogène

"A partir de cette recherche, il n'y avait qu'un pas à franchir pour passer au thème suivant. Les grands acteurs industriels ont une plus grande demande d'hydrogène. Ils bénéficient d'un approvisionnement régulier en hydrogène. Aujourd'hui, son transport sur de longues distances constitue un grand défi, car pour transporter l'hydrogène, il faut le lier à d'autres molécules, comme le méthanol ou le méthane de synthèse. Ou alors on le transforme en ammoniac, qui doit ensuite être reconverti sur place. Cette méthode de liquéfaction de l'hydrogène nécessite des températures très basses, jusqu'à -253 °C, et des pressions élevées, jusqu'à 700 bars. Pour créer ces conditions, il faut des infrastructures qui nécessitent beaucoup d'énergie. Nous avons voulu créer une meilleure méthode pour cela."

"En utilisant la glace comme support d'hydrogène, le stockage de l'hydrogène peut se faire à -10 °C et à des pressions de 20 à 50 bars"

Les clathrates limitent les coûts énergétiques

"Nous sommes en train de développer une alternative avec la glace comme support d'hydrogène. La glace est poreuse, flotte au-dessus de l'eau, a une faible densité et peut absorber une énorme quantité de gaz. Avec cette solution, l'hydrogène peut être stocké à -10 °C et à une pression de 20 à 50 bars pour la même quantité par volume. La demande de refroidissement plus faible et la compression beaucoup plus limitée entraînent logiquement une réduction significative des coûts énergétiques."

"La technologie que nous utilisons pour cela est basée sur les clathrates. Ce sont des composés de molécules d'eau et d'autres molécules, que nous pouvons encapsuler dans la glace. Les molécules d'hydrogène se trouvent donc dans une structure de glace, pour ainsi dire, mais il y a un obstacle à surmonter: les clathrates d'hydrogène n'existent pas dans la nature."

"Les clathrates de méthane sont assez courants: on les trouve en grande quantité dans les régions polaires, au fond des océans et dans le permafrost. Ils se forment spontanément à basse température et au cours de certaines transformations géologiques. Les clathrates d'hydrogène sont beaucoup plus difficiles à fabriquer: jusqu'à présent, ils ne pouvaient être fabriqués qu'en laboratoire, à des pressions extrêmement élevées, de 1.000 bars et plus. Cela les rendait inaccessibles pour les applications industrielles."

"Nous sommes maintenant parvenus à fabriquer des clathrates d'hydrogène dans des conditions bien meilleures, avec des pressions qui ne représentent encore qu'une fraction des 1.000 bars d'origine. Cela facilitera grandement le transport et réduira considérablement la pression nécessaire pour stocker l'hydrogène, ce qui peut représenter un progrès considérable pour les applications de transport, par exemple. Les camions et les navires doivent désormais transporter un réservoir sous une pression de 700 bars. Imaginez que nous puissions réduire cette pression à 50 bars – ce serait une véritable percée en termes de sécurité, de facilité d'utilisation et de coût. Nous travaillons actuellement d'arrache-pied pour déployer cette technologie à grande échelle. Je pense que dans ce cas, cela peut être fait beaucoup plus rapidement qu'avec les panneaux producteurs d'hydrogène, notamment parce que l'intérêt de l'industrie est énorme."

 

Limiter les émissions d'ammoniac

Un troisième sujet de recherche concerne la production et l'émission d'ammoniac, une substance qui est souvent utilisée dans le secteur agricole pour produire des engrais ammoniacaux. "Le processus Haber-Bosch est utilisé pour produire cette substance", poursuit Martens. "Dans ce procédé, un mélange gazeux exempt d'oxygène, composé d'azote gazeux et d'hydrogène gazeux, est mis en contact avec un catalyseur sous forme de particules de fer solide et chauffé sous haute pression. Ce processus de synthèse est loin d'être nouveau, puisqu'il existe depuis plus de 100 ans. Cependant, l'électrification de ce processus pose un problème, car il faut beaucoup d'énergie pour créer tout l'hydrogène nécessaire."

"Si nous voulons produire de l'ammoniac plus écologique, nous voulons le faire aussi près que possible du consommateur – la ferme –, avec de petites unités de production. Il y a deux façons possibles de procéder. Dans la première, nous utilisons la synthèse de l'ammoniac via un processus oxydatif. Dans ce procédé, les nitrates sont produits à partir d'oxydes d'azote pouvant être obtenus à partir de l'air ambiant, qui sont ensuite réduits en ammoniac au moyen de processus électrochimiques. C'est une approche très prometteuse."

"Dans une deuxième approche, nous pourrions également extraire l'ammoniac de l'air des étables. Actuellement, on utilise des systèmes de lavage d'air (scrubbers) pour produire du sulfate d'ammonium via l'acide sulfurique. Il s'agit toutefois d'un engrais de moindre qualité que le nitrate d'ammonium. Récemment, nous avons lancé un projet visant à capter directement l'air des granges et à le transformer en engrais de haute qualité. Cela représente une double victoire: non seulement nous réduisons l'impact environnemental en limitant les émissions d'ammoniac dans l'air, mais en plus nous transformons ça en un produit qui apporte une valeur économique à l'agriculteur."

"Nous constatons un problème similaire avec les émissions de NO_x dans les centrales électriques à gaz. Pour que la combustion soit aussi efficace que possible, les processus de combustion interne doivent se dérouler à une température élevée. Cependant, le revers de la médaille est la production de NO_x. Pour le neutraliser en azote, on injecte de l'ammoniac dans les cheminées, mais cela entraîne des émissions de cette dernière substance. En principe, on pourrait  également utiliser ces émissions pour fabriquer du nitrate d'ammonium pour l'agriculture. Cette recherche est maintenant en phase de démarrage. Le point commun entre nos recherches? En combinant astucieusement la chimie et la physique, il est possible de relever des défis complexes. Et on retrouve cette combinaison partout."