Vers un monde équitable et durable

Un groupe de chercheurs de la Faculté de science et d'ingénierie des matériaux du Technion présente une nouvelle technologie de production d'hydrogène vert à partir d'énergies renouvelables. Leur avancée a été récemment publiée dans Nature Materials. Cette nouvelle technologie présente des avantages significatifs par rapport à d'autres procédés de production d'hydrogène vert, et son développement en tant que technologie commerciale devrait permettre de réduire les coûts et d'accélérer l'utilisation de l'hydrogène vert en tant qu'alternative propre et durable aux combustibles fossiles.

L'utilisation de l'hydrogène comme combustible au lieu du charbon, de l'essence et du gaz "naturel" réduira l'utilisation de ces combustibles et les émissions de gaz à effet de serre provenant de diverses sources, notamment les transports, la production de matériaux et de produits chimiques et le chauffage industriel. Contrairement à ces combustibles, qui émettent du dioxyde de carbone dans l'atmosphère lorsqu'ils brûlent dans l'air, l'hydrogène produit de l'eau et est donc considéré comme un combustible propre. Cependant, la façon la plus courante de produire de l'hydrogène consiste à utiliser du gaz naturel (ou du charbon) et le processus émet de grandes quantités de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, ce qui annule ses avantages en tant qu'alternative verte et durable aux combustibles fossiles. En 2022, la consommation mondiale d'hydrogène s'élevait à environ 95 millions de tonnes - une quantité qui permet d'améliorer divers produits combustibles, et notamment de produire de l'ammoniac, nécessaire à la fabrication d'engrais agricoles. La quasi-totalité de l'hydrogène consommé aujourd'hui est produite à partir de combustibles fossiles, d'où son nom d'"hydrogène gris" (fabriqué à partir de méthane) ou d'"hydrogène noir" (fabriqué à partir de charbon). La production d'hydrogène à l'aide de ces méthodes est responsable d'environ 2,5 % des émissions annuelles mondiales de dioxyde de carbone dans l'atmosphère résultant de l'action de l'homme. Il est nécessaire de remplacer l'hydrogène gris par l'hydrogène vert afin de réduire cette source importante d'émissions et de remplacer les combustibles fossiles polluants par de l'hydrogène propre et durable.

Selon diverses estimations, l'hydrogène vert devrait représenter environ 10 % du marché mondial de l'énergie à zéro émission nette - l'objectif actuel pour atténuer le changement climatique et le réchauffement de la planète en raison de l'effet de serre dû à l'augmentation de la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. C'est la raison pour laquelle l'hydrogène vert revêt une importance capitale dans la lutte contre le réchauffement climatique. L'hydrogène vert est produit par électrolyse - décomposition électrochimique de l'eau en oxygène et en hydrogène - en utilisant de l'énergie provenant de sources renouvelables telles que le vent et le soleil. L'électrolyse a été découverte il y a plus de 200 ans et a depuis connu de nombreux développements et améliorations. Cependant, elle reste trop chère pour produire de l'hydrogène vert à un prix compétitif. L'un des défis technologiques qui limitent l'utilisation de l'électrolyse pour la production de grandes quantités d'hydrogène vert - quantités qui permettraient de réaliser les plans visant à atteindre des émissions nettes de carbone nulles - est la nécessité d'utiliser des membranes, des joints et des composants d'étanchéité coûteux pour séparer les compartiments cathodique et anodique.

Il y a plusieurs années, des chercheurs du Technion ont présenté une technique d'électrolyse innovante et efficace qui ne nécessite ni membrane ni joint pour séparer les deux parties de la cellule, puisque l'hydrogène et l'oxygène sont produits à des étapes différentes du processus, contrairement à l'électrolyse classique où ils sont créés simultanément. Ce nouveau procédé, appelé E-TAC, a été mis au point par les docteurs Hen Dotan et Avigail Landman sous la supervision des professeurs Avner Rothschild et Gideon Grader. Ils se sont associés à l'entrepreneur Talmon Marco pour exploiter le potentiel du procédé et développer des applications commerciales.

Détails de la nouvelle technologie

Les chercheurs du groupe du Professeur Rothschild au Technion présentent aujourd'hui un nouveau procédé dans lequel l'hydrogène et l'oxygène sont produits simultanément dans deux cellules distinctes, contrairement au procédé E-TAC où ils sont produits dans la même cellule mais à des étapes différentes. Ce nouveau procédé a été mis au point par Ilia Slobodkin dans le cadre de sa thèse de maîtrise, avec l'aide des chercheurs principaux Elena Davydova et Anna Breytus et de l'étudiant en maîtrise Matan Sananis.

Ce nouveau procédé contourne les défis opérationnels et les limitations de l'électrode solide où l'oxygène est produit dans la technique E-TAC en la remplaçant par un électrolyte aqueux NaBr dans l'eau. Ce remplacement ouvre la voie à un processus continu (par opposition à un processus discontinu avec l'E-TAC) et supprime la nécessité de faire passer alternativement des électrolytes froids et chauds dans la cellule. Les anions bromure de l'électrolyte sont oxydés en bromate tout en produisant de l'hydrogène dans une cathode, puis ils s'écoulent avec l'électrolyte aqueux dans une autre cellule, où ils retrouvent leur état d'origine tout en produisant de l'oxygène, et ce processus se répète sans cesse. De cette manière, l'hydrogène et l'oxygène sont produits en même temps dans deux cellules séparées, dans un processus continu sans changement de température, contrairement à ce qui se passe avec l'E-TAC. En outre, l'oxygène est produit dans l'électrolyte aqueux et non dans l'électrode solide comme dans l'E-TAC, et ne dépend donc pas des limitations de taux et de capacité typiques de ces types d'électrodes, telles que les batteries rechargeables. Dans l'article publié dans Nature Materials, les chercheurs décrivent leurs expériences de base qui prouvent la faisabilité préliminaire du processus proposé et présentent des résultats qui démontrent sa grande efficacité et sa capacité à fonctionner à un courant électrique élevé, ce qui signifie que l'hydrogène peut être produit à un taux élevé. En même temps, il reste un long chemin à parcourir pour développer une nouvelle technologie basée sur l'avancée scientifique décrite dans l'article. Une telle technologie est susceptible de surmonter les nombreux obstacles qui se dressent sur la voie de la production industrielle d'hydrogène vert en tant qu'alternative durable aux combustibles fossiles.

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Le Professeur Rothschild est membre du Nancy and Stephen Grand Technion Energy Program, du Stewart and Lynda Resnick Sustainability Center for Catalysis et du National Research Institute for Energy Storage. La recherche a été soutenue par le ministère de l'innovation, de la science et de la technologie et par le prix de la solution climatique de JNF-KKL.

Cliquez ici pour consulter l'article dans Nature Materials