L’hydrogène vert se positionne comme un acteur clé dans la transition énergétique, permettant de stocker et d’utiliser de l’énergie sans émission de CO₂. Face aux défis de production durable et économique, centres de recherche et universités du monde entier innovent avec de nouveaux matériaux pour relever ce défi.

Production d’hydrogène vert avec de nouveaux matériaux émergents

L’hydrogène vert est devenu un acteur clé de la transition énergétique, permettant de stocker et d’utiliser de l’énergie sans émettre de CO₂ au point d’utilisation. Cependant, un défi majeur reste à surmonter : comment produire cet hydrogène de manière économique, efficace et véritablement durable, sans dépendre des combustibles fossiles ni de matériaux rares et coûteux.

Pourquoi l’hydrogène vert est essentiel pour la décarbonisation

L’engouement pour l’hydrogène vert s’explique par l’urgence de réduire les émissions et de diminuer l’utilisation de combustibles fossiles. En tant que vecteur énergétique, l’hydrogène offre une méthode pour stocker les surplus d’énergies renouvelables et les libérer lorsque nécessaire.

Contrairement à une source d’énergie primaire, l’hydrogène fonctionne comme un « réservoir chimique » d’énergie : il est produit à partir d’électricité ou de chaleur et consommé ultérieurement dans des piles à hydrogène, des processus industriels ou des applications de mobilité. Lorsqu’il est généré à partir de sources renouvelables (solaire, éolien, hydraulique, biomasse…), il est alors qualifié d’hydrogène vert.

Néanmoins, actuellement, la majorité de l’hydrogène utilisé dans l’industrie provient de combustibles fossiles, générant environ 900 millions de tonnes de CO₂ par an à l’échelle mondiale, selon l’Agence Internationale de l’Énergie. Pour changer cette réalité, des technologies capables de produire de l’hydrogène renouvelable à grande échelle et à des coûts compétitifs doivent être développées.

L’électrolyse de l’eau et les nouveaux matériaux pour électrolyseurs

La méthode la plus répandue et prometteuse pour obtenir de l’hydrogène vert à grande échelle est l’électrolyse de l’eau alimentée par une électricité renouvelable. Ce processus consiste à diviser la molécule d’eau (H₂O) en hydrogène (H₂) et en oxygène (O₂) sans émettre de CO₂.

Dans un électrolyseur, l’eau est introduite dans une cellule avec deux électrodes séparées par une membrane. En appliquant un courant électrique, de l’hydrogène est produit au cathode et de l’oxygène à l’anode. L’hydrogène est ensuite collecté, compressé et stocké ou envoyé directement à consommation.

Il existe plusieurs types d’électrolyseurs, chacun avec ses avantages, limites et besoins en matériaux spécifiques :

• Électrolyseur alcalin : technologie mature, relativement peu coûteuse, mais avec une densité de courant inférieure et une flexibilité limitée.
• Électrolyseur à oxyde solide (SOEC) : fonctionne à haute température, offrant une bonne efficacité, mais encore à des phases moins commerciales.
• Électrolyseur à membrane échangeuse d’anions (AEM) : combine des avantages des systèmes alcalins et à membrane, permettant l’utilisation de catalyseurs sans métaux précieux.
• Électrolyseur à membrane électrolytique polymérique (PEM) : très compact, capable de travailler avec des courants élevés et de produire un hydrogène très pur, idéal pour intégrer des énergies renouvelables variables.

La technologie PEM est particulièrement intéressante pour gérer les fluctuations de l’énergie renouvelable, mais elle présente un inconvénient majeur : la dépendance à des matériaux critiques comme le platine et l’iridium dans les électrodes, augmentant les coûts et compliquant l’expansion à l’échelle mondiale. Par exemple, des projets en Navarre illustrent les exigences technologiques et de matériaux pour intégrer la technologie PEM avec les énergies renouvelables.

Des équipes comme celles dirigées par María Retuerto et Sergio Rojas s’emploient à remplacer ces matériaux précieux par des alternatives plus abondantes et économiques sans compromettre l’activité catalytique et la durabilité. L’objectif est de réduire le coût des équipements et l’impact environnemental lié à l’extraction de ces métaux.

Parallèlement, le Institut de Carbochimie travaille sur des électrolyseurs AEM de basse température, utilisant des électrodes à base de métaux non précieux, cherchant à combiner le meilleur des deux mondes : la simplicité de l’électrolyse liquide et l’efficacité des systèmes PEM.

Nouvelles familles de catalyseurs sans platine grâce à la déformation élastique

Un autre domaine de recherche clé vise à développer des catalyseurs alternatifs au platine pour la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER) dans les électrolyseurs. Bien que le platine soit le standard en raison de sa grande activité et stabilité, son coût et sa rareté rendent difficile la satisfaction de la demande future.

Des chercheurs de l’IMDEA Matériaux ont montré qu’il est possible d’améliorer considérablement le rendement d’alliages intermétalliques connus en appliquant des déformations élastiques contrôlées.

Dans une étude publiée dans ACS Catalysis, ils ont analysé des films fins intermétalliques de systèmes économiques tels que Ag₃In (argent et indium), Ni₃Fe (nickel et fer) et Ni₃Sn (nickel et étain). En exposant ces films à de légères déformations élastiques (environ 1 %), une notable augmentation de leur activité catalytique pour la HER a été observée.

Ces nouvelles approches offrent une feuille de route innovante pour concevoir des catalyseurs optimisés par déformation, en utilisant aussi des techniques d’apprentissage automatique pour tester des combinaisons de métaux non précieux et d’alliages prometteurs, afin d’accélérer le développement de matériaux compétitifs.

Perovskites céramiques et cycles thermochimiques avec chaleur solaire

En dehors de l’électrolyse, une autre ligne de recherche prometteuse en Espagne consiste à produire de l’hydrogène vert à partir d’eau en utilisant uniquement la chaleur solaire. Le Groupe d’Ingénierie Chimique et Environnementale (GIQA) et le Institut de Recherche sur les Technologies pour la Durabilité (ITPS) de l’Université Rey Juan Carlos ont développé de nouveaux matériaux céramiques capables de participer à des cycles thermochimiques de décomposition de l’eau.

Ce principe regard à une oxydation répétée, ce qui permet de produire de l’hydrogène de manière continue et renouvelable à partir de l’énergie solaire concentrée. Ces nouveaux matériaux céramiques, appartenant à la famille des perovskites, présentent une mobilité élevée de l’oxygène dans leur réseau cristallin.

Les travaux ont montré que ces nouvelles perovskites fonctionnent à des températures inférieures à 1000 ºC, comparativement à 1300-1500 ºC demandées par d’autres systèmes thermochimiques conventionnels. Cela représente une économie d’énergie considérable et rend l’utilisation de réacteurs solaires plus viable.

Photocatalyse et MOFs : produire de l’hydrogène à partir d’eaux usées

Un autre projet innovant explore la photocatalyse pour décomposer l’eau à l’aide de la lumière solaire. Le projet Hylios vise à transformer les stations d’épuration en usines de production d’hydrogène vert en concevant des matériaux capables de capter l’énergie solaire et de la transférer à la production d’hydrogène à partir d’eaux contaminées.

Le développement de nouveaux matériaux métalliques organiques (MOFs), basés sur le titane, est central à ce projet. Le MOF IEF-11 combine des unités photoactives de titane avec de l’acide scuarique, atteignant des efficacités photocatalytiques très élevées, comparables à celles du dioxyde de titane, jusqu’ici référence.

Électrolyse avec de nouveaux composés multimatériaux plus actifs

Parallèlement à la recherche sur les catalyseurs intermétalliques déformés, des composés multimatériaux présentant des performances supérieures à celles de chaque composant sont en cours de développement. Des chercheurs de l’Université de Twente ont créé un nouveau matériau électrode contenant cinq métaux de transition différents, dont l’activité catalytique dépasse les performances des composants individuels.

Cette approche, alliant matériaux abondants et technologies de pointe, pourrait offrir une alternative au platine et à l’iridium pour les électrolyseurs de haute performance.

Défis des matériaux, de l’eau et nouvelles sources renouvelables d’hydrogène

La production d’hydrogène vert doit également faire face à d’importants défis liés aux matériaux et à l’approvisionnement en eau. Actuellement, les électrolyseurs conventionnels dépendent encore de métaux précieux, dont l’extraction a des conséquences environnementales souvent sévères.

Pour pallier cette dépendance, l’exploration d’alternatives à faible coût et à partir de matériaux durables est cruciale. En parallèle, la disponibilité de l’eau de qualité est un problème délicat, nécessitant environ neuf tonnes d’eau pure pour produire une tonne d’hydrogène vert.

Pour surmonter ces enjeux, des solutions telles que l’utilisation d’eau de mer, d’eaux usées ou même la récupération d’humidité de l’air sont à l’étude, ce qui constitue une voie prometteuse pour un avenir de production d’hydrogène vert.

Applications industrielles, biocarburants et l’économie de l’hydrogène

Actuellement, l’hydrogène est largement utilisé dans l’industrie, notamment pour le raffinage de pétrole et la production d’ammoniac. Passer de l’hydrogène « gris » à de l’hydrogène vert pourrait réduire substantiellement les émissions de ce secteur. Des projets tels que ceux menés par Sidenor en matière d’hydrogène vert dans les aciéries illustrent déjà l’applicabilité de cette technologie.

Les avancées dans le développement de nouveaux matériaux, tels que les perovskites céramiques, les alliages intermétalliques optimisés et les composés multimatériaux, dessinent un paysage où la production continue et efficace d’hydrogène vert, avec un impact environnemental réduit, se rapproche d’une réalité technologique et industrielle à grande échelle.

Mon avis :

Le développement du hidrogène vert est prometteur pour décarboniser l’industrie, utilisant des procédés renouvelables. Cependant, la dépendance à des matériaux coûteux, comme le platine, soulève des défis économiques. Des avancées notables, telles que l’utilisation de perovskites et de catalyseurs sans métaux précieux, offrent des solutions innovantes mais nécessitent encore des recherches approfondies.

Les questions fréquentes :

Qu’est-ce que l’hydrogène vert et pourquoi est-il important pour la transition énergétique ?

L’hydrogène vert est un vecteur énergétique clé qui permet de stocker et d’utiliser de l’énergie sans émissions de CO₂. Sa production constitue un défi, car il doit être réalisé à un coût compétitif, de manière efficace et durable, sans dépendre des combustibles fossiles ou de matériaux rares et coûteux.

Quels sont les principaux matériaux et technologies utilisés dans la production d’hydrogène vert ?

Les recherches récentes explorent divers matériaux tels que des céramiques basées sur des perovskites, des alliages inter-métalliques, des catalyseurs sans métaux précieux, ainsi que des électrolyseurs innovants. Tous ces éléments contribuent à dessiner un avenir prometteur pour la production d’hydrogène vert.

Comment l’électrolyse de l’eau contribue-t-elle à la production d’hydrogène vert ?

L’électrolyse de l’eau est la méthode la plus courante pour générer de l’hydrogène vert à grande échelle en utilisant de l’électricité renouvelable. Un électrolyseur divise l’eau en hydrogène et en oxygène sans émissions directes de CO₂, permettant une production propre et efficace d’hydrogène.

Quels défis doivent être relevés pour rendre l’hydrogène vert vraiment durable ?

Pour que l’hydrogène vert soit véritablement durable, il est crucial de trouver des alternatives aux métaux précieux utilisés dans les électrolyseurs et d’assurer l’approvisionnement en eau de qualité. Explorer des sources d’eau alternatives et développer des catalyseurs à bas coût sont également des étapes essentielles dans ce processus.