Le rôle croissant de l'hydrogène pour l'énergie propre

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Le potentiel de l'hydrogène à jouer un rôle important dans la recherche mondiale d'une énergie propre et sûre prend de l'ampleur à mesure que de plus en plus d'industries et de gouvernements investissent dans des projets visant cet objectif. Poussés par les préoccupations concernant le changement climatique, les investisseurs ainsi que les décideurs politiques font pression pour des réductions de carbone agressives. Alors que l'hydrogène a attiré l'attention en tant que source d'énergie propre dans le passé, l'élan actuel alimenté par les objectifs de décarbonisation et les technologies améliorées est plus prometteur pour réaliser son potentiel.

En tant que carburant, l'hydrogène offre l'avantage de ne pas produire de dioxyde de carbone lors de sa combustion. Cependant, la majeure partie de l'approvisionnement mondial en hydrogène est actuellement produite à partir de combustibles fossiles et utilisée industriellement principalement pour les industries du raffinage du pétrole et des engrais. Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE ; The Future of Hydrogen : Seizing today's opportunités, juin 2019, www.iea.org), la production d'hydrogène génère environ 830 millions de tonnes métriques par an d'émissions de CO2. On assiste cependant à une recrudescence des projets de création d'hydrogène « vert » par électrolyse, à partir de l'eau.

L'hydrogène produit par électrolyse de l'eau ne génère que de l'hydrogène et de l'oxygène et ne contribue donc pas aux émissions de gaz à effet de serre. Les sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie éolienne et solaire peuvent être utilisées pour générer de l'hydrogène, ce qui en fait une option intéressante pour stocker la production variable de ces sources. Selon le rapport de l'AIE, "le moment est venu d'exploiter le potentiel de l'hydrogène pour jouer un rôle clé dans un avenir énergétique propre, sûr et abordable".

Les deux articles suivants examinent certaines des activités axées sur l'avancement de la production d'hydrogène « vert » en tant que carburant de nouvelle génération, ainsi qu'à des fins industrielles. Le premier article se concentre sur les technologies d'électrolyseur, tandis que le deuxième article offre un aperçu des activités autour de la production d'hydrogène, de son utilisation dans les transports et plus encore.

- Dorothy Lozowski, directrice éditoriale, Génie chimique et POWER

FIGURE 1. Les fabricants d'électrolyseurs augmentent leurs capacités pour répondre à la demande mondiale croissante

FIGURE 1. Les fabricants d'électrolyseurs augmentent leurs capacités pour répondre à la demande mondiale croissante

Les avancées technologiques et économiques ont placé l'hydrogène au premier plan des stratégies de développement durable dans de nombreuses industries, les utilisateurs finaux espérant capitaliser sur la promesse de réduire considérablement, voire d'éliminer complètement, les émissions de CO2.

Une grande partie de l'activité autour de l'hydrogène implique aujourd'hui des électrolyseurs, qui sont des unités de traitement modulaires dans lesquelles un courant électrique est appliqué pour diviser les molécules d'eau en hydrogène et en oxygène. Lorsqu'ils sont alimentés par des sources d'électricité renouvelables, telles que l'énergie éolienne ou solaire, les électrolyseurs produisent du H2 sans émissions ou "vert".

Ces dernières années, la production d'électrolyseurs a considérablement augmenté pour répondre à la demande mondiale en H2 vert. En juin 2020, thyssenkrupp Industrial Solutions AG (Essen, Allemagne ; www.thyssenkrupp-industrial-solutions.com), en partenariat avec De Nora SpA (Milan, Italie ; www.denora.com), a étendu sa capacité de fabrication d'unités d'électrolyseur (Figure 1). "Nous avons désormais la capacité de construire des usines d'électrolyse d'une capacité annuelle de 1 gigawatt, et nous allons encore étendre nos capacités", explique Christoph Noeres, responsable du stockage de l'énergie et de l'hydrogène chez thyssenkrupp. Ces électrolyseurs sont proposés sous forme de modules préfabriqués montés sur châssis (Figure 2), qui peuvent être combinés pour augmenter facilement la capacité de production. L'augmentation des capacités de l'électrolyseur, selon Noeres, aidera à réaliser des chaînes de valeur économiquement prometteuses, non seulement pour la production à grande échelle de H2 vert, mais aussi pour la fabrication ultérieure de produits chimiques durables, tels que l'ammoniac et le méthanol. "Green H2 jouera un rôle central dans la réalisation de la neutralité en matière de gaz à effet de serre, ainsi que dans la mise en place d'une économie en boucle fermée", ajoute Noeres. À l'horizon, thyssenkrupp concentre ses projets de développement sur les régions présentant des conditions favorables pour les applications power-to-x. Plus tôt cette année, la société a annoncé que ses usines d'électrolyse pourront se connecter au marché allemand de l'électricité via la centrale électrique virtuelle d'E.ON, agissant ainsi comme des tampons à grande échelle pour stabiliser le réseau électrique. Pour cette étape ambitieuse, les électrolyseurs devaient répondre à plusieurs critères de qualification de changement de charge détaillés dans les codes de réseau des opérateurs de transport, démontrant qu'ils présentent une vitesse de réponse et une flexibilité suffisantes pour participer au marché de l'équilibrage énergétique.

Il existe deux principaux types d'électrolyseurs sur le marché : les alcalins et les membranes échangeuses de protons (PEM). D'autres technologies d'électrolyse émergentes, qui sont encore principalement en phase de développement, comprennent la membrane échangeuse d'anions (AEM), la cellule d'électrolyseur à oxyde solide (SOEC) et la séparation photoélectrochimique (PEC) de l'eau. Dans un électrolyseur alcalin, l'eau est divisée en ses constituants en présence d'une solution d'électrolyte caustique - souvent de l'hydroxyde de potassium (KOH). La réaction de séparation de l'eau dans un électrolyseur PEM glane ses électrolytes à partir d'un catalyseur appliqué sur une membrane polymère.

L'électrolyse alcaline est la technologie la plus établie et les électrolyseurs alcalins sont généralement plus abordables, mais les électrolyseurs PEM apportent une certaine valeur ajoutée via une réponse plus rapide aux changements de puissance. De plus, les PEM sont souvent considérés comme une option plus sûre, car la membrane fournit une barrière physique entre le H2 et l'O2 produits.

FIGURE 2. Leur nature modulaire rend les électrolyseurs adaptés aux petites et grandes installations

FIGURE 2. Leur nature modulaire rend les électrolyseurs adaptés aux petites et grandes installations

Bien que les électrolyseurs ne soient pas nouveaux, les travaux de développement récents et les tendances de l'industrie les ont rendus beaucoup plus attrayants par rapport à la production conventionnelle de H2 à partir de gaz naturel via le reformage du méthane à la vapeur (SMR), déclare David Bow, vice-président directeur, développement et stratégie d'entreprise, Nel Hydrogen (Wallingford, Connecticut ; www.nelhydrogen.com). "L'industrie des électrolyseurs a réduit ses coûts d'investissement de 75 % au cours des 2 à 3 dernières années, principalement en raison du besoin du marché pour des systèmes plus grands et de l'innovation dans la conception et la fabrication de systèmes", explique Bow. La prolifération des énergies renouvelables à faible coût est également une énorme force motrice, parallèlement à la pression pour atteindre les objectifs de durabilité des entreprises et des gouvernements. "Un SMR produira 10 à 12 tonnes de CO2 par tonne de H2 produit. Désormais, de l'électricité renouvelable à faible coût peut être fournie pour fabriquer du H2 vert sans émission de CO2", explique Bow. L'un des principaux objectifs des fournisseurs d'électrolyseurs est d'atteindre la "parité fossile", ce qui signifie que l'électrolyseur peut produire du H2 vert au même prix que l'utilisation d'un SMR avec du gaz naturel (hydrogène "gris").

FIGURE 4. Les électrolyseurs AEM sont sur le point de combiner les avantages des électrolyseurs alcalins et PEM, qui sont actuellement les technologies dominantes sur le marché

FIGURE 4. Les électrolyseurs AEM sont sur le point de combiner les avantages des électrolyseurs alcalins et PEM, qui sont actuellement les technologies dominantes sur le marché

Après avoir réalisé des réductions de coûts considérables, Nel concentre désormais davantage ses efforts de développement sur l'amélioration de l'efficacité et des performances de l'électrolyseur, y compris des travaux visant à réduire la quantité de métaux précieux (comme le platine et l'iridium) dans les catalyseurs PEM, et les progrès de la technologie des électrodes pour les systèmes alcalins.

La géographie est un facteur important lorsque l'on compare l'économie des SMR avec les électrolyseurs. Dans certaines régions, où la matière première de gaz naturel pour les unités SMR est rare, le gaz naturel doit être expédié; ou H2 transporté via des remorques à tubes ou sous forme liquide dans des camions-citernes, ce qui est très peu efficace et intensif en CO2. "Le H2 étant une molécule si légère, un camion-remorque à tube plein ne peut transporter qu'environ 350 kg. De plus, il y a des pertes considérables lors du stockage de l'hydrogène sous forme liquide, car il s'évacue lorsque les températures changent", explique Bow. Cela rend la production sur site de H2 beaucoup plus attrayante pour les grands consommateurs d'hydrogène, tels que les usines d'ammoniac, les usines de méthanol et les raffineries de pétrole.

Alors que les SMR sont de loin la technologie dominante, de nombreux sites de traitement chimique se tournent vers les électrolyseurs pour aider à augmenter la capacité des SMR et à accroître la flexibilité de l'usine, car les électrolyseurs peuvent fonctionner efficacement sur un grand rapport de réduction et sont facilement évolutifs. Bow mentionne l'exemple d'un grand fabricant de produits chimiques qui achetait du H2 à une unité SMR voisine et a découvert que sa demande avait dépassé la capacité du SMR. "Ils ont envisagé d'acheter une autre unité SMR plutôt que de passer aux électrolyseurs ou de transporter du H2 liquide dans des camions-citernes et ont découvert que les électrolyseurs en série offraient plus d'efficacité à moindre coût", explique Bow.

Nel a entrepris une variété de tests à l'échelle pilote pour différentes applications H2, aidant les sites à passer du H2 gris au vert. "De nombreux, sinon tous, les principaux producteurs d'ammoniac envisagent un certain niveau de test d'électrolyse. Nous avons un projet éolien-ammoniac dans le Minnesota qui est en cours depuis plusieurs années et bien d'autres sont en cours. Nous avons également vendu un certain nombre d'électrolyseurs alcalins à grande échelle pour la production d'éthylène et d'alcools de sucre, qui consomment tous deux de grandes quantités de H2 dans le processus", explique Bow.

Nel Hydrogen est l'un des nombreux bénéficiaires d'un financement dans le cadre de l'initiative [email protected] financée par le Département américain de l'énergie (DOE ; Washington, DC ; www.doe.gov), par l'intermédiaire du Bureau de l'hydrogène et des technologies des piles à combustible (HFTO) de l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables (EERE). En juillet, un financement de 64 millions de dollars a été accordé à 18 projets soutenant les objectifs de [email protected] de faire progresser l'économie de l'hydrogène aux États-Unis. Près de 15 millions de dollars de la dernière ronde de financement sont allés à des projets axés spécifiquement sur la fabrication d'électrolyseurs. "Un avantage des électrolyseurs est leur compatibilité avec les sources d'énergie renouvelables intermittentes, telles que l'éolien et le solaire. Au lieu de réduire l'énergie, les électrolyseurs peuvent être utilisés pour fabriquer du H2 pour le stockage d'énergie ou pour d'autres applications d'utilisation finale à valeur ajoutée, telles que la fabrication de produits chimiques ou d'acier", explique Sunita Satyapal, directrice de HFTO.

Pour les électrolyseurs, les principaux objectifs de [email protected] consistent à améliorer l'efficacité et la durabilité tout en réduisant les coûts globaux. Au fur et à mesure que les technologies d'électrolyseurs ont progressé, Satyapal souligne une tendance vers des projets de développement plus holistiques et collaboratifs. "Au lieu d'examiner des composants spécifiques, tels que des catalyseurs ou des membranes, une grande partie du travail actuel porte sur l'intégration des matériaux et des processus de fabrication, et sur la manière dont nous pourrions les intégrer pour qu'ils soient manufacturables à grande échelle", dit-elle. « Un exemple d'un domaine unique que nous avons financé est celui des méthodes de contrôle de la qualité. Idéalement, si nous voulons augmenter les électrolyseurs à l'échelle du gigawatt, les composants ne seraient pas fabriqués par lots, nous envisageons donc des processus continus à plus haut débit, tels que le rouleau à rouleau, ainsi qu'une inspection à grande vitesse sur des composants de grande surface pour trouver des défauts qui pourraient avoir un impact sur la durabilité. Parmi les autres principaux domaines de développement, citons : les techniques de revêtement de membranes et la simplification de la fabrication des membranes ; optimiser la couche de transport poreuse ; et réduire la teneur en métaux précieux. En outre, [email protected] travaille sur deux projets de transformation nucléaire en hydrogène, les premiers du genre, aux États-Unis

[email protected] se concentre sur de multiples besoins de production, de stockage, de distribution et d'utilisation d'hydrogène, y compris les électrolyseurs PEM, qui gagnent du terrain sur le marché, mais qui ont encore un potentiel de réduction des coûts importants. La qualité de l'eau d'alimentation est un autre domaine de recherche émergent pour le projet, dit Satyapal. "Nous avons quelques projets à un stade précoce étudiant la possibilité d'utiliser de l'eau sale ou de l'eau salée, au lieu d'exiger de l'eau de haute pureté pour l'électrolyse", ajoute-t-elle. "Nous avons également un projet unique en son genre aux États-Unis où nous produisons du H2 avec un électrolyseur et utilisons un système biologique pour fabriquer du méthane renouvelable avec du H2 et du CO2", explique Satyapal.

La synergie avec le gaz naturel est un autre domaine d'intérêt majeur, en particulier dans le mélange de H2 et de gaz naturel, avec le potentiel d'injecter de l'hydrogène dans les gazoducs. Cependant, avec le mélange H2, la compatibilité des matériaux peut être une préoccupation majeure en fonction des matériaux utilisés, et de nombreuses activités de recherche impliquent les effets de l'hydrogène sur la fragilisation et son impact sur les métaux et les polymères, comme l'a abordé le consortium H-Mat du DOE.

Une étape importante dans le mélange de H2 a eu lieu en juillet 2020, lorsque Baker Hughes (Houston ; www.bakerhughes.com) et Snam (San Donato Milanese, Italie ; www.snam.it) ont achevé les tests de la première turbine à hydrogène « hybride » au monde conçue pour un réseau de gaz, dans le but ultime d'injecter du H2 mélangé à du gaz naturel dans l'infrastructure de transmission actuelle de Snam.

FIGURE 3. Ces unités d'électrolyseur compactes sont conçues pour être installées dans des endroits difficiles, comme la tête d'une éolienne, pour un stockage d'énergie rationalisé

FIGURE 3. Ces unités d'électrolyseur compactes sont conçues pour être installées dans des endroits difficiles, comme la tête d'une éolienne, pour un stockage d'énergie rationalisé

Hoeller Electrolyzer GmbH (Wismar, Allemagne ; www.hoeller-electrolyzer.com) a développé une technologie de surface cellulaire optimisée pour les électrolyseurs PEM compacts (Figure 3) qui réduit la quantité de métaux précieux nécessaires et augmente la pression de fonctionnement. Hoeller conçoit ses empilements de cellules PEM en pensant aux installations exigeantes, telles que l'intégration de l'empilement directement dans la tête d'une éolienne. "Le principal avantage de l'électrolyse PEM est que la production de H2 change presque instantanément avec l'énergie fournie, de sorte que les processus avec un besoin changeant de H2 sont un match idéal", explique Matthias Kramer, directeur financier chez Hoeller. Selon Hoeller, ses piles peuvent gérer des changements de charge de 0 à 100 % de la charge nominale en quelques secondes. Alors que PEM est polyvalent face à l'évolution de la demande, Kramer met également l'accent sur sa capacité à fonctionner en continu. De plus, la pile peut être pressurisée à 50 bars ou plus, ce qui rend le stockage direct plus pratique. La technologie PEM exclusive de Hoeller a fait l'objet d'une preuve de concept à l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire (ISE ; Fribourg-en-Brisgau, Allemagne ; www.ise.fraunhofer.de), et Kramer indique que l'entreprise prévoit d'installer un prototype d'unité d'ici la fin de 2020. Des discussions sont également en cours concernant un projet pilote pour les nouvelles piles PEM dans un parc éolien du Schleswig-Holstein, en Allemagne.

FIGURE 5. Une unité de tamis moléculaire peut être installée en aval d'un électrolyseur à des fins de déshydratation

FIGURE 5. Une unité de tamis moléculaire peut être installée en aval d'un électrolyseur à des fins de déshydratation

Une technologie émergente pour la production de H2 est l'électrolyse à membrane échangeuse d'anions (AEM) (Figure 4). AEM est en quelque sorte une solution hybride combinant les avantages du PEM et de l'électrolyse alcaline traditionnelle à base de diaphragme, explique Oliver Conradi, spécialisé dans la recherche sur les membranes chez Evonik Industries AG (Essen, Allemagne ; www.evonik.com). "L'électrolyse alcaline implique évidemment des conditions très basiques, tandis que le PEM implique un environnement acide. Ces valeurs de pH respectives nécessitent certains matériaux. Dans des conditions alcalines, vous pouvez utiliser des matériaux moins chers, tels que l'acier inoxydable et le nickel, alors qu'avec le PEM, vous devez utiliser du platine ou d'autres métaux précieux pour le catalyseur, et la cellule électrochimique doit être à base de titane, donc le coût d'investissement pour le PEM est beaucoup plus élevé", explique Conradi. Cependant, les systèmes PEM surmontent certaines des limitations fondamentales de l'électrolyse alcaline traditionnelle - en raison de la conception spécifique des cellules dans les systèmes alcalins, la densité et l'efficacité du courant sont limitées, et il est plus difficile de pressuriser un système alcalin, ce qui signifie qu'une étape de compression supplémentaire est généralement nécessaire. « Dans les unités PEM, la membrane dense facilite la mise sous pression de l'ensemble du système. Avec AEM, vous pouvez fondamentalement combiner les avantages des deux technologies de pointe, tout en compensant leurs inconvénients », déclare Conradi, notant que le principal obstacle au développement d'un système AEM efficace est le développement d'un matériau de membrane polymère adapté qui peut résister aux conditions alcalines.

Un domaine d'intérêt particulier est la fraction cationique, qui est responsable du transport des ions hydroxyde de la cathode à l'anode. En plus de la stabilité dans un environnement alcalin, le polymère doit également fournir une conductivité ionique élevée et une stabilité dans des conditions d'électrolyseur sous pression. Inspiré par une technologie membranaire existante pour la séparation des gaz, Evonik a développé une nouvelle chimie polymère comportant une fraction cationique conductrice d'ions propriétaire. Dans le cadre du consortium Channel axé sur AEM, Evonik étend la production du polymère et intensifie également la fabrication de membranes sur une ligne de revêtement pilote. "Le consortium construit un électrolyseur AEM pour démontrer que la membrane et d'autres composants fonctionnent dans des conditions difficiles", explique Conradi. La première unité de démonstration AEM du groupe est à l'échelle du laboratoire, où des protocoles de test sont exécutés pour refléter les conditions du monde réel. "Les prochaines étapes consisteront à prouver la fiabilité du système et à augmenter la taille des piles, tout en augmentant également le traitement des membranes", poursuit-il.

Bien que les électrolyseurs aient fait des progrès en termes d'efficacité et de coût, le H2 produit nécessite encore souvent des étapes de post-traitement, telles que la compression, la déshydratation ou la purification. « Les piles d'électrolyse ne produisent généralement pas d'hydrogène directement utilisable. Si vous souhaitez stocker, distribuer ou utiliser l'hydrogène produit, les contaminants doivent être éliminés », explique Jordi Zonneveld, responsable du portefeuille hydrogène chez Frames Group (Alphen aan den Rijn, Pays-Bas ; www.frames-group.com). "Étant donné que la technologie PEM n'utilise que de l'eau ultra-pure, le seul contaminant est l'eau, et potentiellement une très petite quantité d'oxygène. L'électrolyse alcaline utilise une solution de KOH comme fluide de traitement, et donc les traces de KOH dans l'hydrogène produit doivent également être éliminées."

Selon les exigences de débit et de pureté du gaz, plusieurs étapes peuvent être nécessaires pour préparer le H2 pour ses applications d'utilisation finale. Par exemple, dit Zonneveld, des tambours knock-out avec des composants internes de désembuage et un équipement de refroidissement des gaz en option sont généralement utilisés comme première étape pour amener la pureté de l'hydrogène jusqu'à 99,9 %. Ensuite, si une pureté plus élevée est requise, une unité de tamis moléculaire (Figure 5) peut être nécessaire. Il mentionne également que la déshydratation à l'aide de triéthylène glycol - une technologie courante pour le traitement du gaz naturel - a montré un potentiel de purification de H2, mais il n'y a pas encore eu d'applications de H2 à grande échelle.

La compression de H2 présente également des défis uniques. « Le H2 a une densité d'énergie par masse très élevée, mais une très faible densité, de sorte que des compresseurs sont nécessaires en aval des électrolyseurs pour comprimer le H2 pour un stockage et un transport efficaces », explique Stefanie Peters, associée directrice du groupe Neuman & Esser (NEA ; Übach-Palenberg, Allemagne ; www.neuman-esser.de). Le faible poids moléculaire de H2 pose également des problèmes. "Les turbomachines sont confrontées à des problèmes importants pour capturer le H2 dans la chambre de compression, et seules les machines à déplacement positif comme les compresseurs à piston et à membrane conviennent à une compression efficace aux pressions de refoulement de H2 requises", ajoute Peters. Par exemple, les compresseurs à piston fonctionnant à sec peuvent atteindre des pressions de refoulement allant jusqu'à 300 bar. Lorsqu'ils sont équipés de cylindres lubrifiés, les pressions de refoulement peuvent atteindre 700 bar, mais cette option introduit des traces de contamination par l'huile, donc dans les cas où aucune contamination n'est acceptable, les compresseurs à membrane sans huile sont l'option haute pression préférée, car ils peuvent atteindre une pression de refoulement supérieure à 5 000 bar.

Alors que la demande d'électrolyseurs et de H2 vert continue de croître, les améliorations technologiques, non seulement dans les électrolyseurs eux-mêmes, mais aussi dans le post-traitement, continueront d'être des domaines vitaux de recherche et de développement.

Le monde a une occasion importante d'exploiter le vaste potentiel de l'hydrogène pour devenir un élément essentiel d'un avenir énergétique plus durable et plus sûr », selon une étude approfondie lancée par l'Agence internationale de l'énergie (AIE ; Paris, France ; www.iea.org) à l'occasion de la réunion des ministres de l'énergie et de l'environnement du G20 à Karuizawa, au Japon, les 15 et 16 juin 2019.

"L'hydrogène propre bénéficie actuellement d'un fort soutien de la part des gouvernements et des entreprises du monde entier, le nombre de politiques et de projets augmentant rapidement", indique l'étude. Intitulée L'avenir de l'hydrogène : saisir les opportunités d'aujourd'hui, et lancée par le directeur exécutif de l'AIE, Fatih Birol, et le ministre japonais de l'économie, du commerce et de l'industrie, Hiroshige Seko, l'étude indique que l'hydrogène offre des moyens de décarboniser une gamme de secteurs, notamment la fabrication de produits chimiques et la production de fer et d'acier, et qu'il peut être transformé en carburants pour les voitures, les camions, les trains, les navires et les avions.

"Le monde ne devrait pas manquer cette chance unique de faire de l'hydrogène un élément important de notre avenir énergétique propre et sûr", a déclaré Birol.

Il y a cependant des gens qui pensent que les piles à combustible H2 ne seront jamais largement utilisées, car elles présentent des coûts élevés et une faible efficacité par rapport aux batteries, telles que les batteries lithium-ion (LIB), et il faudrait trop de temps pour surmonter les problèmes techniques impliqués. Néanmoins, des efforts sont en cours pour améliorer la technologie et l'économie d'une économie basée sur l'hydrogène.

En tant que système d'alimentation en carburant pour les voitures, les bus, les trains, etc., l'hydrogène est stocké dans un réservoir à l'intérieur du véhicule. H2 est envoyé à une pile à combustible, qui produit de l'électricité pour un moteur électrique qui déplace le véhicule. Contrairement aux combustibles fossiles, la combustion de l'hydrogène ne produit ni CO2 ni autres polluants, uniquement de la vapeur d'eau. En ce qui concerne un système d'alimentation en carburant pour automobiles, le principal concurrent des piles à combustible H2 est le LIB. Aujourd'hui, la plupart des véhicules électriques utilisent des batteries, souvent basées sur la chimie Li-ion ou plomb-acide. Chaque pile à combustible individuelle produit des courants et des tensions faibles et, comme les LIB, les cellules doivent être empilées pour atteindre la tension cible et le courant maximal requis par le véhicule. L'un des avantages de l'H2 utilisé dans les piles à combustible est qu'il a un rapport énergie/poids (énergie spécifique) bien supérieur à celui des LIB. L'énergie spécifique des LIB est de 0,36 à 0,875 MJ/kg, et l'énergie spécifique de l'hydrogène est de 120 à 142 MJ/kg. L'H2 dans les piles à combustible permet ainsi une autonomie beaucoup plus grande tout en étant plus léger et en occupant des volumes plus réduits. Un autre avantage majeur des piles à combustible H2 est qu'elles peuvent être rechargées en quelques minutes. En revanche, les temps de charge complète des véhicules électriques LIB sont généralement mesurés en heures. Cependant, H2 comporte également de sérieux inconvénients. L'une d'entre elles est qu'il se combine bien avec d'autres éléments et doit donc être isolé, avant d'être utilisable comme combustible, par des procédés coûteux et énergivores. De plus, le stockage de H2 est coûteux et énergivore, soit lorsqu'il est stocké sous forme de gaz à haute pression, soit encore plus sous forme liquide à des températures cryogéniques. Le H2, également hautement inflammable, est difficile, dangereux et coûteux à produire, stocker et transporter. Malgré les problèmes posés par les piles à combustible H2, et malgré les prédictions négatives de certains experts, un grand nombre de projets sont en cours et une quantité importante de dollars de R&D est investie dans les piles à combustible H2 à travers le monde. Il existe déjà de nombreux véhicules fonctionnant avec des piles à combustible à hydrogène, y compris des voitures, des bus et des trains, bien qu'ils n'aient pas encore été largement acceptés par le marché. Selon l'AIE, il y a actuellement environ 11 200 voitures à moteur H2 sur les routes dans le monde. Les plus anciennes voitures à hydrogène disponibles dans le commerce sur certains marchés sont : la Toyota Mirai, la Hyundai Nexo et la Honda Clarity. En 2013, le véhicule électrique à pile à combustible (FCEV) Hyundai Tucson a été le premier H2 FCEV produit en série au monde. Il avait une autonomie de près de 600 km. Hyundai Nexo (Figure 1) lui a succédé en 2018. Toyota a lancé sa Mirai fin 2014. Elle a une autonomie d'environ 500 km et il faut environ 5 min pour remplir son réservoir H2. Bien que de nombreux constructeurs automobiles aient introduit des modèles de démonstration en nombre limité, nombre d'entre eux sont passés aux véhicules électriques à batterie. À la fin de l'année dernière, le premier train de voyageurs au monde alimenté par des piles à combustible H2 a commencé à fonctionner en Allemagne (Figure 2). Appelé Coradia iLint, il a été développé par Alstom (Paris, France ; www.alstom.com). Le train est capable d'atteindre une vitesse maximale de 140 km/h.

FIGURE 1. L'une des dernières automobiles à hydrogène est la Hyundai Nexo

FIGURE 1. L'une des dernières automobiles à hydrogène est la Hyundai Nexo

FIGURE 2. Le premier train de voyageurs à hydrogène au monde a été mis en service en septembre dernier en Basse-Saxe, en Allemagne

FIGURE 2. Le premier train de voyageurs à hydrogène au monde a été mis en service en septembre dernier en Basse-Saxe, en Allemagne

FIGURE 3. Basé sur une technologie bien établie dans le secteur du chloralcali, ce système d'électrolyse de l'eau peut être étendu jusqu'à 10 MW

FIGURE 3. Basé sur une technologie bien établie dans le secteur du chloralcali, ce système d'électrolyse de l'eau peut être étendu jusqu'à 10 MW

Actuellement, presque tout le H2 mondial est fourni à partir de matières premières fossiles dans des processus qui émettent du CO2, à moins que le CO2 ne soit capté et stocké de manière adéquate. La production propre de H2 est obtenue par l'électrolyse de l'eau à l'aide d'électricité obtenue à partir de sources renouvelables, telles que l'énergie solaire et éolienne. Actuellement, cependant, seulement 5 % environ du H2 mondial est produit par fractionnement de l'eau. Le processus au sein de la pile à combustible est essentiellement l'inverse du processus électrolytique de production de H2 à partir d'eau.

Récemment, thyssenkrupp AG (Essen, Allemagne ; www.thyssenkrupp.com ; Figure 3) et Siemens AG (Erlangen, Allemagne ; www.siemens.com) ont développé de nouveaux électrolyseurs à grande échelle afin de décarboner la production de H2 (Chem. Eng., janvier 2019, pp. 14–17).

Les électrolyseurs de Siemens étaient initialement capables de transformer des kilowatts d'énergie renouvelable en H2 propre, et l'entreprise construit maintenant des appareils à plus grande échelle. Siemens livrera bientôt une unité de 1,25 MW au district d'innovation de Tonsley en Australie-Méridionale. Il propose également une unité capable d'évoluer jusqu'à 10 MW, avec des plans d'extension d'un autre ordre de grandeur.

La plus grande usine d'hydrogène vert à énergie solaire au monde est prévue pour la péninsule de Burrup en Australie-Occidentale par Yara Pilbara age, le ravitaillement et le projet de démonstration de micro-réseaux à pile à combustible seraient exploités par l'entreprise dans la région de Boston. Plus récemment, la société a développé ce qu'elle prétend être le premier ravitailleur H2 tout-en-un au monde.

En octobre dernier, un consortium japonais a lancé la construction du Fukushima Hydrogen Energy Research Field (FH2R ; Chem. Eng., octobre 2018, p. 10). FH2R produira (en utilisant des énergies renouvelables) et stockera jusqu'à 900 tonnes/an de H2. Il utilisera un nouveau système de contrôle pour coordonner le fonctionnement global du système énergétique H2, du système de contrôle du réseau électrique et du système de prévision de la demande H2, afin d'optimiser la production de H2, la production d'électricité basée sur H2 et l'approvisionnement en gaz H2.

Le système utilisera le H2 pour compenser les charges du réseau et fournira le H2 à des emplacements dans le Tohoku et au-delà, et cherchera à démontrer les avantages du H2 en tant que solution d'équilibrage du réseau et en tant qu'approvisionnement en gaz H2. L'H2 comprimé sera transporté dans des remorques et fourni aux utilisateurs.

Le programme Hydrogène et piles à combustible du Département américain de l'énergie (DOE ; Washington, DC ; www.energy.gov) mène des activités de recherche et de développement sur la production, la livraison, le stockage et les piles à combustible de H2. Ses cibles techniques sont : le reformage liquide dérivé de la biomasse, l'électrolyse, la gazéification de la biomasse, la séparation thermochimique de l'eau, la séparation photoélectrochimique de l'eau, les procédés photobiologiques et la conversion de la biomasse microbienne. Pendant ce temps, des recherches sont menées dans une usine de purification d'eau à Sendai, dans la préfecture de Miyagi, au Japon, pour incorporer le H2 dans les systèmes d'énergie renouvelable. La ville de Fukuoka est engagée dans un projet de production d'H2 avec du biogaz extrait des boues d'épuration. L'H2 produit sera utilisé pour les véhicules à pile à combustible.

« Les usines de traitement des eaux usées à travers le pays ont le potentiel d'alimenter jusqu'à 1,86 million de véhicules à pile à combustible avec de l'hydrogène », déclare Masaki Tajima, professeur d'énergie environnementale à l'Université de Tottori (Tottori City, Japon ; www.tottori-u.ac.jp).

Toujours au Japon, Toshiba Corp. (Tokyo ; www.toshiba.com) a développé ses piles à combustible en cascade à hydrogène pur H2 Rex de 100 kW, qui augmentent le taux d'utilisation de l'hydrogène. Les piles à combustible peuvent générer de l'énergie à une température de 80 °C, ce qui est bien inférieur à la température de fonctionnement des autres types de piles à combustible, éliminant ainsi le besoin d'un processus de chauffage.

Des chercheurs du Center for Sustainable Chemical Technologies de l'Université de Bath (Royaume-Uni ; www.bath.ac.uk) ont mis au point une méthode améliorée pour utiliser la lumière du soleil pour diviser l'eau. Ils ont utilisé des cellules solaires en pérovskite. Étant donné que ces cellules sont instables dans l'eau, ce qui limite leur utilisation pour la génération directe de carburants H2 propres, les chercheurs ont utilisé un revêtement étanche en graphite. Alors que les cellules solaires en pérovskite produisent une tension plus élevée que les cellules en silicium, la tension n'est toujours pas suffisante pour séparer l'eau. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont ajouté des catalyseurs.

Une autre façon d'augmenter la production de H2 à partir de l'électrolyse a été récemment découverte par une équipe de l'Institut de recherche chimique de Catalogne (Tarragone, Espagne ; www.iciq.org), dirigée par José Ramón Galón- Mascarós. Les chercheurs ont obtenu une production de H2 à basse tension simplement en rapprochant un aimant permanent de l'anode, ce qui se traduit par des économies d'énergie immédiates. L'équipe a également utilisé des catalyseurs à base de métaux abondants dans la terre comme le nickel et le fer. L'équipe affirme qu'elle peut augmenter de 100 % l'efficacité de production de H2 à l'aide d'un électrolyseur. Dans un environnement industriel, l'équipe s'attendrait à des gains d'efficacité de 30 à 40 % (Chem. Eng., juillet 2019, p. 12).

Des chercheurs de l'Indian Institute of Science (Bengaluru, Inde ; www.iisc.ac.in), dirigés par le professeur Prabeer Barpanda, ont mis au point un catalyseur peu coûteux pour accélérer la séparation de l'eau pour produire H2.

L'une des deux principales réactions impliquées dans ce processus - la réaction de dégagement d'oxygène - est lente, ce qui limite l'efficacité globale du processus. Les catalyseurs les plus efficaces normalement utilisés sont constitués de métaux coûteux, tels que Pt et Ru. Les chercheurs indiens ont mis au point un catalyseur en associant de l'oxyde de cobalt à des sels de phosphate de sodium (métaphosphates). Les chercheurs affirment que ce catalyseur est plus de deux cents fois moins cher que le catalyseur RuO2 de pointe actuel, et que la vitesse de réaction est également plus rapide.

Pour fabriquer le catalyseur, les chercheurs ont grillé du métaphosphate de sodium et de l'oxyde de cobalt dans une atmosphère d'argon. Cela crée une nappe de carbone partiellement brûlé sur laquelle s'étalent des cristaux d'oxyde de cobalt encadrés de métaphosphate de sodium. Les métaphosphates forment une structure solide pour maintenir les oxydes de cobalt intacts, montrant une grande stabilité. Ce traitement permet au catalyseur de conserver son activité sur plusieurs cycles.

Une équipe de l'Université du Michigan (Ann Arbor; www.umich.edu), dirigée par le professeur Don Siegel, a identifié des moyens d'entasser plus de H2 que jamais auparavant dans des cadres organométalliques (MOF), augmentant ainsi la densité d'énergie et donc l'autonomie projetée des véhicules à pile à combustible.

L'équipe a créé une base de données sur les MOF et a utilisé des simulations informatiques pour sélectionner près de 500 000 MOF pour ceux qui conviennent le mieux pour stocker H2. Trois MOF ont été identifiés qui dépasseraient les records précédents pour le stockage H2. Siegel dit qu'en augmentant la quantité de H2 qui peut être stockée dans un adsorbant MOF, la pression nécessaire pour le stocker peut être réduite, et la taille du réservoir peut également être réduite.

Pour stocker et transporter du H2 d'une autre manière, Chiyoda Corp. (Yokohama, Japon ; www.chiyodacorp.com), en association avec JXTG Nippon Oil & Energy Corp., l'Université de Tokyo et l'Université de technologie du Queensland, a développé le système SPERA Hydrogen. Ce système est maintenu à l'état liquide aux températures et pressions ambiantes, et peut donc être stocké longtemps dans des réservoirs existants et transporté par des camions-citernes existants. Le système est un liquide appelé méthylcyclohexane (MCH). Il est produit à l'aide de la méthode de l'hydrure chimique organique (OCH), dans laquelle le toluène et l'hydrogène réagissent catalytiquement. Le volume de MCH est une petite fraction du volume de H2 gazeux. Bien que le procédé OCH utilisant le MCH soit connu depuis longtemps, aucun catalyseur commercial n'a été développé pour produire du H2 à partir du MCH dans le procédé de déshydrogénation. Chiyoda a développé un catalyseur de déshydrogénation qui offre en continu des performances élevées et stables pendant plus de 10 000 h à l'échelle du laboratoire. Dans une autre approche encore, une équipe de l'Université de Newcastle (Newcastle-upon-Tyne, Royaume-Uni ; www.ncl.ac.uk), dirigée par le professeur Ian Metcalfe, a développé ce qu'elle prétend être le premier réacteur chimique thermodynamiquement réversible capable de produire du H2 sous forme de flux de produit pur.

Le réacteur évite le mélange des gaz réactifs en transférant l'oxygène entre les flux de réactifs via un réservoir d'oxygène à l'état solide. Le réservoir est conçu pour rester proche de l'équilibre avec les flux de gaz réactifs lorsqu'ils suivent leur trajectoire de réaction et conserve ainsi une "mémoire chimique" des conditions auxquelles il a été exposé. Le H2 est ainsi produit sous la forme d'un flux de produit pur, éliminant le besoin d'une séparation coûteuse des produits finaux. "Alors que la production conventionnelle de H2 nécessite deux réacteurs et une séparation, notre réacteur accomplit toutes les étapes dans une seule unité", explique Metcalfe.

Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Pohang (Pohang, Corée du Sud ; www.postech.ac.kr) et de la Colorado School of Mines (Golden, Colorado ; www.mines.edu), dirigés par Kun-Hong Lee et Bo Ram Lee de Pohang, ont introduit un nouveau concept pour améliorer la capacité de stockage d'hydrogène à l'intérieur de la structure formée par des molécules d'eau appelées hydrates de gaz. Les hydrates de gaz sont des composés solides ressemblant à de la glace, y compris du gaz. Le principal problème du stockage de l'hydrogène dans les hydrates de gaz a été de réduire l'énergie nécessaire. Les chercheurs ont étudié la métastabilité des hydrates de gaz, qui est déterminée par un état stable qui peut être modifié par l'ajout d'une petite quantité d'énergie. Ils ont réussi à maintenir les hydrates d'hydrogène stables à une pression très douce (0,5 à 1 MPa) et ont démontré un stockage accru de H2 dans les hydrates (jusqu'à 52 % de plus).

"Si un processus approprié est conçu pour piéger le système dans cet état métastable avec une concentration élevée de gaz, couplé aux avantages de l'auto-préservation des hydrates, un nouveau paradigme naîtra pour le stockage de gaz dans les hydrates de clathrate", déclare Kun-Hong Lee. Pendant ce temps, le CSIRO (Melbourne, Australie; www.csiro.au) a mené une étude sur "l'efficacité aller-retour de l'ammoniac en tant que moyen de transport d'énergie renouvelable". L'étude indique que le NH3 est une excellente proposition pour convertir l'énergie renouvelable en H2, la transporter vers des endroits à faible intensité d'énergie renouvelable et reconvertir le NH3 en H2 pour la consommation locale. L'efficacité aller-retour du stockage de l'énergie électrique peut être supérieure à 80 %, selon l'étude.