Vous voulez cuire des biscuits ? Ou stocker de l'énergie sous forme d'hydrogène ?

L'un des vecteurs d'énergie renouvelable les plus prometteurs est l'hydrogène propre, qui est produit sans combustibles fossiles.

Il s'agit d'une idée prometteuse car l'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'univers, présent dans 75 % de la matière. De plus, une molécule d'hydrogène comporte deux atomes appariés, des jumeaux géminés qui sont à la fois non toxiques et hautement combustibles.

Le potentiel de combustion de l'hydrogène en fait un sujet intéressant pour les chercheurs en énergie du monde entier.

Au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), une équipe étudie l'hydrogène comme moyen de stocker et de libérer de l'énergie, principalement en brisant ses liaisons chimiques. Une grande partie de leurs travaux est liée au consortium Hydrogen Materials-Advanced Research (HyMARC) du ministère de l'énergie (DOE).

Le stockage de l'hydrogène n'est pas encore optimisé

L'un des axes de recherche du PNNL concerne l'optimisation du stockage de l'hydrogène, une question épineuse. À ce jour, il n'existe pas de moyen totalement sûr, rentable et économe en énergie pour stocker l'hydrogène à grande échelle.

Les chercheurs du PNNL ont récemment cosigné un article qui étudie une solution de bicarbonate de soude comme moyen de stockage de l'hydrogène. L'étude a déjà été qualifiée d'"article brûlant" par la revue elle-même, Green Chemistry, publiée par la Royal Society of Chemistry. Cela signifie qu'elle a suscité l'intérêt d'un grand nombre de lecteurs.

Les travaux du PNNL sur le stockage de l'hydrogène sont financés par le Bureau des technologies de l'hydrogène et des piles à combustible du ministère de l'énergie, qui fait partie de l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables (EERE). La recherche fait progresser l'initiative H2@Scale du DOE ainsi que le projet Hydrogen Shot de l'agence.

Les deux principaux auteurs du nouvel article sont Thomas Autrey, chimiste et membre du laboratoire du PNNL, et son collègue Oliver Gutiérrez, expert en matière de rapidité et de rentabilité des réactions chimiques.

"Il faut faire preuve d'un peu de créativité", a déclaré Autrey, qui s'amuse de voir à quel point le bicarbonate de soude est commun, bon marché et doux comme réponse potentielle à un problème important. "Tous les produits chimiques ne seront pas efficaces pour stocker l'hydrogène. Il faut travailler avec ce que Mère Nature nous donne".

De l'hydrogène propre pour les besoins énergétiques à long terme

Autrey, Gutiérrez et d'autres chercheurs du PNNL considèrent que le stockage de l'énergie à long terme est la clé de l'avenir de l'hydrogène en tant que vecteur d'énergie renouvelable.

La technologie actuelle des batteries est conçue pour un stockage de quelques heures. Dans un réseau d'énergie renouvelable, les batteries peuvent répondre à environ 80 % des besoins de stockage.

Mais "les 20 % restants nécessiteront des approches uniques", a déclaré M. Autrey. "Nous voudrons stocker l'énergie excédentaire afin d'être prêts pour le Dunkelflaute.

Il s'agit d'un terme allemand décrivant les conditions dans lesquelles le potentiel d'énergie solaire et éolienne est insuffisant. Pendant les périodes sombres et sans vent du"Dunkelflaute", les réseaux ont besoin d'un moyen de stocker l'énergie pendant plus de quelques heures.

Cette capacité de stockage saisonnier est l'un des attraits de l'hydrogène. Il en va de même pour le fait que le stockage de l'hydrogène peut se faire n'importe où, qu'il est "géographiquement agnostique", comme le disent les experts. L'hydroélectricité, par exemple, nécessite des différences d'altitude pour stocker l'excès d'eau nécessaire à la production d'énergie. Le stockage de l'hydrogène ne nécessite aucune condition particulière liée à la géographie.

En outre, selon M. Autrey, l'hydrogène devient de plus en plus économique à mesure que les échelles deviennent plus grandes. Il est moins coûteux d'acheter quelques réservoirs de stockage d'hydrogène supplémentaires que d'acheter un grand nombre de batteries.

Trouver le meilleur moyen de stocker l'hydrogène

L'hydrogène propre est une source d'énergie très prometteuse. Un processus appelé électrolyse, par exemple, peut diviser l'eau en hydrogène et en oxygène. Dans le meilleur des mondes, l'énergie nécessaire à l'électrolyse proviendrait de sources d'énergie renouvelables, notamment solaires, éoliennes et géothermiques.

Il reste toutefois un défi de taille à relever : produire de l'hydrogène à moindre coût.

Pour y remédier, le ministère de l'énergie a annoncé en 2021 son initiative Energy Earthshots, une série de six mesures visant à financer des percées dans le domaine des technologies énergétiques propres. La première étape a été l'Hydrogen Shot, qui vise à réduire le coût de l'hydrogène de 5 à 1 dollar par kilogramme en l'espace de dix ans, soit une réduction de 80 %.

Au-delà de la baisse des coûts de production de l'hydrogène propre, "il faut trouver comment le déplacer et le stocker", a déclaré M. Autrey, des étapes qui peuvent faire repartir les prix à la hausse.

Mais il n'a pas été possible de trouver le support idéal pour le stockage de l'hydrogène.

L'hydrogène peut être comprimé en gaz, mais cela nécessite des pressions très élevées - jusqu'à 10 000 livres par pouce carré. Un réservoir de stockage sûr devrait avoir des parois en acier très épais ou en fibre de carbone de qualité spatiale, ce qui est très coûteux.

Qu'en est-il de l'hydrogène liquide cryogénique ? Il s'agit d'un moyen de stockage éprouvé, mais qui nécessite d'obtenir et de conserver un produit si froid (< 252°C) que les coûts énergétiques périphériques sont importants.

Ce qui semble le plus prometteur, ce sont les molécules liquides, optimisées pour stocker et libérer l'hydrogène. Jamie Holladay, expert en énergie durable, a récemment dirigé des recherches menées par le PNNL sur des stratégies plus simples et plus efficaces de liquéfaction de l'hydrogène.

L'utilisation de ces liquides comme moyen de stockage présente l'avantage de maintenir en place les infrastructures énergétiques existantes, notamment les pipelines, les camions, les trains et les navires de ravitaillement, a déclaré M. Gutierrez.

Le cycle bicarbonate-formate

Vous voulez faire cuire des biscuits ? Ou stocker de l'énergie sous forme d'hydrogène ? Le bicarbonate de soude pourrait être la solution. Ce sel de sodium du bicarbonate, doux et bon marché, est non toxique et écologique.

Pas exactement du bicarbonate de soude. L'équipe du PNNL étudie les propriétés de stockage de l'énergie hydrogène du cycle bicarbonate-formate, étudié depuis longtemps. (Le formiate est une molécule organique liquide sûre et douce).

Voici comment cela fonctionne : Les solutions d'ions formate (hydrogène et dioxyde de carbone) dans l'eau transportent de l'hydrogène à partir du formate de métal alcalin non corrosif. Les ions réagissent avec l'eau en présence d'un catalyseur. Cette réaction produit de l'hydrogène et des bicarbonates - le "bicarbonate de soude" qu'Autrey admire pour son absence d'impact sur l'environnement.

En modifiant légèrement la pression, il est possible d'inverser le cycle bicarbonate-formate. Cela permet d'activer et de désactiver une solution aqueuse qui peut alternativement stocker ou libérer de l'hydrogène.

Avant le bicarbonate de soude, l'équipe du PNNL chargée du stockage de l'hydrogène a étudié l'éthanol en tant que vecteur d'hydrogène organique liquide, terme générique utilisé par l'industrie pour désigner les moyens de stockage et de transport. Parallèlement, elle a mis au point un catalyseur qui libère l'hydrogène.

Les catalyseurs sont des additifs de conception qui accélèrent les processus utilisés pour établir et rompre les liaisons chimiques de manière efficace sur le plan énergétique.

En mai 2023, pour un projet lié aux efforts du PNNL, l'EERE a accordé à OCOchem de Richland, Washington, un financement de 2,5 millions de dollars sur deux ans pour développer un processus électrochimique qui produit du formiate et de l'acide formique à partir du dioxyde de carbone. Ce procédé permettrait de lier le dioxyde de carbone à l'hydrogène situé dans la liaison chimique emblématique de l'eau,_H2O.

Dans le cadre d'un partenariat qui vient de débuter, le PNNL développera des moyens de libérer l'hydrogène des produits OCOchem.

Un stockage de l'hydrogène qui "ressemble à l'eau

Dans le monde de la recherche sur le stockage de l'hydrogène, le cycle bicarbonate-formate fait parler de lui depuis un certain temps. Après tout, il est basé sur des matériaux abondants, ininflammables et non toxiques.

Le cycle repose sur une solution de stockage aqueuse si douce qu'elle "ressemble à de l'eau", explique M. Autrey. "On peut éteindre un incendie avec.

Mais pour que les sels de bicarbonate de formiate deviennent un moyen viable de stocker l'énergie de l'hydrogène, les chercheurs doivent encore mettre au point des scénarios économiquement viables. Jusqu'à présent, la technologie ne permet de stocker l'hydrogène qu'à raison de 20 kilogrammes par mètre cube, alors que la norme industrielle pour l'hydrogène liquide est de 70.

Plus fondamentalement, a déclaré M. Autrey, les chercheurs ont besoin de comprendre, au niveau des systèmes, l'électrochimie et la catalyse nécessaires. En termes d'ingénierie, à ce jour, l'idée d'un cycle bicarbonate-formate viable n'a qu'un faible niveau de préparation technique.

"Si nous résolvons les problèmes de catalyse", a-t-il ajouté, "nous pourrions susciter un réel intérêt".

Une chose étonnante et brillante

Les solutions salines envisagées par le PNNL ont l'avantage de libérer de l'hydrogène lorsqu'elles réagissent avec l'eau. Elles fonctionnent également à des températures modérées et à des pressions faibles.

En théorie du moins, comme le décrivent Autrey et Gutiérrez dans leur article de 2023, le cycle bicarbonate-formate représente "une alternative verte réalisable pour le stockage et le transport de l'énergie" à partir de l'hydrogène.

L'idée du bicarbonate de soude est également au cœur de ce que le document 2023 appelle "plusieurs défis scientifiques urgents".

Il s'agit notamment de savoir comment fabriquer un support de stockage de l'hydrogène à partir du dioxyde de carbone excédentaire capturé. Il est également possible d'utiliser le même support pour stocker les électrons, ce qui ouvre la voie aux piles à combustible à formiate direct.

En outre, les travaux du PNNL pourraient fournir des indications sur la catalyse en phase aqueuse (eau). Pour l'instant, l'équipe du PNNL utilise le palladium comme catalyseur candidat. Elle s'efforce notamment de trouver des moyens de rendre ce métal rare plus stable, plus réutilisable et d'une durée de vie plus longue.

Dans l'ensemble, l'idée du bicarbonate de soude "est cette chose étonnante et brillante" pour le stockage de l'hydrogène, a déclaré M. Autrey. "Ce qui est passionnant, ce sont les possibilités.