Le Soleil nous envoie chaque année bien plus d’énergie que ce que l’Humanité ne pourrait jamais produire en brûlant toutes les réserves d’hydrocarbures de la Terre. Si tout l’Etat du Texas était converti en une gigantesque ferme solaire parfaitement efficiente, il produirait trois cent fois l’énergie aujourd’hui produite par toutes les centrales du monde, de l’ordre de 25 600 TWh (1).

Le problème, c’est comment créer un système de conversion suffisamment efficace entre cette énergie solaire gratuite, et la fée électricité ou un carburant utilisable.

Du soleil à l’hydrogène?

Une piste bien connue est la conversion d’énergie solaire en électricité par le biais de panneaux photovoltaïques, mais ce processus est d’une part inefficace du fait des panneaux eux-mêmes, d’autre part du fait de la difficulté de stocker cette énergie, et de la transporter sur de longues distances. Ces panneaux posent en plus des questions sur leur fabrication (énergie consommée et usages de ressources type terres rares), et sur leur recyclage.

Une autre voie est celle de l’électrolyse de l’eau séparant oxygène et hydrogène via un courant généré par (par exemple) un panneau photovoltaïque. L’hydrogène peut alors être stockée et transportée à l’état liquide.

L’hydrogène est un carburant intéressant car “propre” au sens où le produit de sa combustion est de l’eau, et que son énergie spécifique (le nombre de Joules par Kg de matière, soit l’énergie par unité de masse) est élevé: de l’ordre de 141 MJ/Kg, à comparer au 53,6 MJ/Kg du gaz naturel, ou les 45,6 MJ/Kg du diésel.

Ce n’est donc pas pour rien que la France annonçait, en septembre de cette année, son plan à 7 milliards d’euros visant à en faire un acteur mondial de la production d’hydrogène:

C’est parti. Quelques jours après avoir dévoilé les grandes lignes de son grand projet hydrogène , dans le cadre du plan de relance, le gouvernement a présenté, mardi, sa vision pour faire de ce gaz « l’énergie d’avenir de la France ». Un plan à 7,2 milliards d’euros d’ici à 2030 (dont 2 milliards entre 2020 et 2022), qui doit permettre non seulement de développer une production d’hydrogène « vert » rentable, mais aussi d’en démocratiser les usages, notamment en matière de mobilité lourde.

« C’est un énorme coup d’accélérateur, avec un objectif simple, construire une filière française de l’hydrogène décarboné, de portée internationale, avec à la clé, 6 millions de tonnes d’émissions de CO2 économisés en 2030 », a insisté Barbara Pompili, la ministre de la Transition écologique.

Le premier volet du plan, le plus immédiat et le plus concret, sera consacré à la décarbonation de l’hydrogène. Au lieu d’utiliser une molécule issue d’hydrocarbures, l’idée est de la produire en utilisant de l’électricité décarbonée (renouvelables et nucléaire), par électrolyse de l’eau.

https://www.lesechos.fr/industrie-services/energie-environnement/hydrogene-la-france-detaille-a-son-plan-a-7-milliards-deuros-1240547

L’électrolyse de l’eau est relativement efficiente, mais aujourd’hui limitée à des installations industrielles dont l’énergie vient du nucléaire ou de centrales thermiques classiques:

Le rendement énergétique de l’électrolyse de l’eau peut varier de manière importante. La gamme de rendement varie de 50-70 %⁵ à 80-92 %⁶ selon les sources. The Shift Project retient ainsi la fourchette de 60-75 %⁷. Ces valeurs se réfèrent seulement au rendement de la conversion de l’énergie électrique en énergie chimique de l’hydrogène ; l’énergie perdue lors de la génération de l’électricité n’est pas comptabilisée.

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectrolyse_de_l%27eau#:~:text=L’%C3%A9lectrolyse%20de%20l’eau,gr%C3%A2ce%20%C3%A0%20un%20courant%20%C3%A9lectrique.

Voici donc quelques années que la recherche s’active autour de processus efficaces combinant le solaire, l’utilisation de matériaux courants, et la production d’hydrogène au sein d’un cycle de production énergétique propre et accessible.

La voie de l’Oxygen Evolution Reaction.

La voie de la transformation directe de l’énergie solaire, propre et gratuite, en hydrogène, implique donc de passer le plus directement possible du rayonnement solaire à la production d’hydrogène, sans passer par la case du panneau photovoltaïque classique, mais à travers un processus chimique dit Oxygen Evolution Reaction (OER). Des solutions existent, mais peu efficaces et nécessitant des matériaux rares et chers, genre iridium et ruthénium, d’où l’échelle actuellement très limitée de ce processus:

Oxygen evolution reaction (OER) is a limiting reaction in the process of generating molecular oxygen through chemical reaction, such as the oxidation of water during oxygenic photosynthesis, electrolysis of water into oxygen and hydrogen, and electrocatalytic oxygen evolution from oxides and oxoacids. Developing improved catalysts for the OER is the key to the advancement of a number of renewable energy technologies, involving solar fuels production and metal–air batteries [180]. Although precious metal oxides, such as ruthenium and iridium oxides, show the best OER activities, their scarcity and high costs limit scalable applications [146]. First-row metals have been a target for the development of OER catalysts because they compromise noncritical elements. Owing to their stability under oxygen evolution conditions, manganese oxides have emerged as the material of choice to improve the efficiency of gas evolution [181].

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/oxygen-evolution-reaction#:~:text=Oxygen%20evolution%20reaction%20(OER)%20is,evolution%20from%20oxides%20and%20oxoacids.

Une nouvelle approche à l’échelle atomique.

D’où le grand intérêt suscité par une récente annonce d’un groupe de recherche de l’Université de Virginie (UAV), Caltech, le laboratoire Argonne du ministère de l’Energie américain: la réalisation de réactions OER à l’échelle atomique, en utilisant des métaux standards, le cobalt et le titane, plutôt que des éléments rares et chers:

“Le nouveau processus implique la création de sites catalytiques actifs, au niveau atomique, à la surface de nanocristaux d’oxyde de titane, une technique produisant un matériau catalytique durable et meilleur au lancement de l’OER”, dit Zhang (Leader du groupe de recherche UAV, ndt).

“De nouvelles approches vers des catalyses efficaces pour la OER, et leur compréhension plus fine, sont la clé vers une possible transition de l’énergie solaire à une échelle supérieure (cad industrielle, ndt). Ce travail est un exemple parfait de comment optimiser l’efficience catalytique pour les énergies propres, en accordant des nanomatériaux à l’échelle atomique.”

“The new process involves creating active catalytic sites at the atomic level on the surface of titanium oxide nanocrystals, a technique that produces a durable catalytic material and one that is better at triggering the oxygen evolution reaction.” Zhang said. “New approaches to efficient oxygen evolution reaction catalysts and enhanced fundamental understanding of them are key to enabling a possible transition to scaled-use of renewable solar energy. This work is a perfect example of how to optimize the catalyst efficiency for clean energy technology by tuning nanomaterials at the atomic scale.”

https://phys.org/news/2020-12-breakthrough-energy-technology.html?fbclid=IwAR2ziTVptXR_umuHomve_YRByIfhVkfjeOoNMJkdwahg8o1I-Gjq4Jr12Ic

Un cadre théorique également validé.

L’équipe de Caltech, de son côté, a développé des méthodes d’analyse de ce process au niveau quantique, et ses résultats concordent avec ceux issus des expériences de l’équipe de Zhang à l’UAV. Le cadre théorique ainsi validé expérimentalement, il devient possible d’identifier de nouvelles formules pour ces catalyses, et en choisir les plus efficaces et manufacturables.

Ceci est sans doute une étape importante sur le chemin de la génération d’énergie solaire/hydrogène réaliste, et de son exploitation à grande échelle.

Liens et sources:

(1) https://en.wikipedia.org/wiki/World_energy_consumption

(2) https://www.myshop-solaire.com/le-rendement-des-panneaux-solaires-photovoltaiques-_r_80_a_223.html