Pour lutter contre le réchauffement climatique, l’hydrogène est considéré par beaucoup comme la clef de voûte de la transition énergétique. Ce gaz présente d’innombrables potentialités. La combustion du carburant hydrogène ne produit aucun gaz carbonique, donc pas de CO2, mais de l’eau.
Or, les chercheurs du Technion en Israël (Israël Institute of Technology) viennent de faire une avancée spectaculaire dans le domaine de la fabrication et de la distribution d’hydrogène. Muriel Touaty, directrice générale du Technion France, explique : « des chercheurs de Technion ont développé une nouvelle méthode rentable, sûre et efficace afin de produire de l’hydrogène à partir de l’énergie solaire, loin des fermes solaires. Cette nouvelle technologie permettra de distribuer de l’hydrogène de manière centralisée en points de vente (par exemple, dans une station d’essence pour les voitures alimentées en hydrogène) situés loin de la centrale solaire. Cela devrait réduire de façon significative le coût de production de l’hydrogène et son acheminement jusqu’au client ».
Les principaux défis dans le développement des fermes solaires PEC pour la production d’hydrogène sont :
- maintenir l’hydrogène et l’oxygène séparés l’un de l’autre
- recueillir l’hydrogène de millions de cellules PEC
- transporter l’hydrogène au point de vente.
« L’équipe du Technion a résolu ces dilemmes en développant une nouvelle méthode pour le fractionnement PEC de l’eau. Avec cette méthode, l’hydrogène et l’oxygène sont formés dans deux cellules séparées – l’une produit de l’hydrogène, et l’autre produit de l’oxygène. Séparés par une mince membrane, cela les empêche de se mélanger et de former un mélange inflammable et explosif. Alors que dans le procédé classique, l’hydrogène et l’oxygène sont produits dans la même cellule », explique Muriel Touaty.
Ce nouveau procédé permet donc la séparation géographique entre la centrale solaire composée de millions de cellules PEC qui produisent exclusivement de l’oxygène et le lieu où l’hydrogène est produit de manière centralisée, rentable et efficace. Ils ont utilisé pour cela une paire d’électrodes auxiliaires en hydroxyde de nickel, un matériau peu coûteux utilisé dans les piles rechargeables, et un fil métallique les reliant.
La vision des chercheurs du Technion est la séparation géographique entre les sites où l’oxygène et l’hydrogène sont produits : sur l’un des sites, il y aura une centrale solaire qui recueillera l’énergie du soleil et produira de l’oxygène tandis que l’hydrogène est produit de manière centralisée sur un autre site, à des kilomètres de là.
Ainsi, au lieu de transporter l’hydrogène comprimé du site de production au point de vente, il suffit d’échanger les électrodes auxiliaires entre les deux sites. Les calculs économiques réalisés en collaboration avec des chercheurs de la société Evonik Creavis GmbH et de l’Institut de recherche solaire du Centre aérospatial allemand (DLR) indiquent que le potentiel des économies réalisées est significatif dans les coûts d’installation et d’exploitation de production d’hydrogène.
« L’étude a été menée par Avigail Landman, étudiante en doctorat pour le programme Grand Technion Energy Program (GTEP), et par la Dr Hen Dotan du laboratoire de matériaux et de dispositifs électrochimiques. Avigail Landman prépare son doctorat sous la direction du Pr Avner Rothschild de la Faculté des sciences et de l’ingénierie des matériaux et du Pr Gideon Grader, doyen de la Faculté de génie chimique au Technion », précise Muriel Touaty.
« La méthode développée au Technion pour séparer la production d’hydrogène et la production d’oxygène a servi de base au développement d’une nouvelle technologie d’électrolyse à deux étages. Cette technologie, développée par le Dr Hen Dotan, permet la production d’hydrogène à haute pression et avec une efficacité sans précédent, réduisant ainsi considérablement les coûts de production d’hydrogène. La nouvelle technologie est maintenant en phase de développement préindustriel », souligne Muriel Touaty.
Grâce à la technologie développée au Technion, l’oxygène et l’hydrogène sont produits et stockés dans des cellules complètement séparées. L’une des électrodes (anode) peut être remplacée par une électrode sensible à la lumière (photo-anode), la conversion de l’eau et de l’énergie solaire en hydrogène et en oxygène sera effectuée dans chaque compartiment simultanément.
« Dans notre recherche, nous décrivons une nouvelle méthode à travers la séparation physique de la production d’hydrogène et la production d’oxygène« , dit Mme Landman. «Selon notre estimation, notre méthode pourrait concurrencer avec succès les méthodes actuelles de fractionnement de l’eau et servir de plate-forme peu coûteuse et sûre pour la production d’hydrogène».
En raison des avantages de l’hydrogène carburant, de nombreux pays – le Japon, l’Allemagne, les Etats-Unis, la Suisse qui a lancé sa première station-service à hydrogène fin 2016 – investissent des sommes considérables dans des programmes de développement de technologies respectueuses de l’environnement («vertes») pour la production d’hydrogène et la distribution. La majeure partie de l’hydrogène est actuellement produite à partir du gaz naturel dans un processus qui émet du CO2, ou par « le craquage de l’eau » qui consiste à diviser les molécules d’eau en hydrogène et en oxygène par l’électrolyse.
La production d’électricité est un processus coûteux et polluant. Aussi, des recherches dans le monde entier, y compris au Technion, sont menées à partir de cellules photo-électrochimiques (PEC) qui utilisent l’énergie solaire pour diviser directement l’eau en hydrogène et en oxygène sans recourir à une source d’énergie externe. Cette idée date des travaux de Michael Grätzel qui avait inventé avec un collègue de l’EPFL (Lausanne) une cellule solaire photo-électrochimique (PEC), capable de produire directement de l’hydrogène à partir d’eau. La cellule Grätzel est un système inspiré de la photosynthèse végétale qui, exposé à la lumière (photons), produit de l’électricité.
En octobre, Mme Landman avait remporté la première place du Concours de trois minutes (3MT) qui s’est tenu en Australie, dans la catégorie « énergie ». Lors de la compétition, tenue à l’initiative de l’Université de Queensland, les participants doivent présenter une recherche révolutionnaire en seulement trois minutes.
L’étude a été soutenue par les Centres israéliens d’excellence en recherche (I-CORE) pour la recherche sur le combustible solaire (financés par le Comité de planification et de budgétisation du Conseil pour l’enseignement supérieur d’Israël), le Ministère des Infrastructures nationales, Énergie et Eau, l’entreprise européenne Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU), du Grand Programme Energétique du Technion (GTEP), du donateur Ed Satell et de la Fondation Adelis. Ce projet n’aurait pu voir le jour sans le soutien de la Fondation Adelis.
Publication dans Nature Materials