Les chercheurs explorent des méthodes pour générer, stocker et utiliser l’hydrogène pour une économie bas carbone.
L’hydrogène est salué comme une alternative prometteuse aux combustibles fossiles, mais présente des défis notables. Par exemple, les méthodes actuelles de production d’hydrogène utilisent souvent des combustibles fossiles, ce qui émet du carbone et contrecarre les avantages que l’hydrogène est censé apporter. De plus, les problèmes de stockage et de transport, ainsi que les préoccupations d’efficacité et de coût, ont été des obstacles à son utilisation généralisée.
Les ingénieurs peuvent-ils produire de l’hydrogène à partir de l’eau de mer ? Vidéo gracieusement fournie par MIT
Cependant, de nombreuses percées se produisent dans la génération, le stockage et l’utilisation de l’hydrogène. Quatre développements de recherche visent à insuffler une nouvelle vie au concept de l’énergie à l’hydrogène.
L’hydrogène vert est produit à l’aide d’énergie renouvelable. Image gracieusement fournie par Adobe Stock
L’IA libère le potentiel du stockage souterrain de l’hydrogène
Le stockage de l’hydrogène gazeux en souterrain permet un stockage à grande échelle et assure la sécurité énergétique. Cependant, le stockage souterrain de l’hydrogène fait face à des défis dus aux conditions géologiques complexes. Les gaz tampon sont principalement utilisés pour maintenir la pression dans les systèmes de stockage et empêcher la fuite de l’hydrogène stocké. Les scientifiques du Laboratoire National de Los Alamos ont développé un modèle de réseau de neurones profonds pour simuler et optimiser ce processus.
Stockage souterrain de l’hydrogène gazeux. Image gracieusement fournie par IDRIC
Dans leur article, les chercheurs ont décrit comment le modèle nouvellement développé analyse plusieurs paramètres géologiques et opérationnels, y compris divers scénarios de gaz tampon (méthane, dioxyde de carbone, ou azote), afin de maximiser la récupération et la pureté de l’hydrogène. Le modèle prend en compte divers réservoirs souterrains, tels que les réservoirs épuisés et les aquifères salins profonds, et considère les propriétés uniques de l’hydrogène.
En fin de compte, cette recherche offre des insights sur les performances de stockage au fil des cycles, les avantages de divers types de réservoirs et l’impact des gaz tampon sur l’efficacité du stockage. Elle a également conduit au développement du logiciel OPERATE-H2, le premier logiciel de l’industrie utilisant l’apprentissage automatique pour optimiser le stockage de l’hydrogène dans diverses conditions.
Production d’hydrogène vert à l’aide de micro-ondes
La production d’hydrogène a souvent un impact négatif sur l’environnement. Par exemple, le reformage à la vapeur de méthane, une méthode courante de production d’hydrogène, libère du dioxyde de carbone en extrait l’hydrogène du gaz naturel.
Des chercheurs de l’Université Technique de Valence ont relevé ce défi en développant des matériaux pour améliorer la production d’hydrogène à partir de l’eau en utilisant des micro-ondes. Leur article décrit le processus novateur, qui utilise des cycles redox dans des matériaux à base d’oxyde de cérium dopés avec divers éléments (La, Nd, Gd, Y, Er, et Yb) pour séparer l’hydrogène de l’oxygène. Le champ électromagnétique induit par les micro-ondes facilite le transfert d’électrons entre les atomes, facilitant ainsi l’électrification du processus.
Production d’hydrogène par micro-ondes. Image gracieusement fournie par Saldana et al.
L’équipe a conçu des cavités micro-ondes pour contrôler précisément le processus de radiation et optimiser ses performances et son efficacité. Au final, la recherche a révélé que les matériaux présentent une forte stabilité et permettent une extraction rapide et contrôlée de l’oxygène grâce à des processus pulsés. Certains des principaux avantages de cette nouvelle méthode incluent une fourniture d’énergie sans contact et une réduction significative de la température de fonctionnement de 1300°C à 400°C.
Transformer les acides solides en solutions énergétiques
Les conducteurs de protons facilitent la génération d’hydrogène en permettant un transfert efficace des protons dans les piles à combustible ou les électrolyseurs. Cela améliore à son tour les réactions électrochimiques nécessaires pour dissocier l’eau ou convertir les carburants en hydrogène. Les ingénieurs du MIT ont mis au point une méthode pour identifier des matériaux prometteurs de conducteurs de protons.
Comme décrit dans leur article de recherche, l’équipe du MIT s’est attaquée au défi en combinant des simulations de dynamique moléculaire ab initio, l’analyse des spectres de phonons et des calculs de structure atomique. Grâce à des simulations informatiques, ils ont analysé des acides solides et identifié des caractéristiques clés pour une conduction rapide des protons : la capacité des protons à sauter entre les atomes d’oxygène et la flexibilité du sous-réseau de groupes polyanions. Ils ont identifié des descripteurs clés tels que les longueurs des liaisons donneur-hydrogène, l’acidité des groupes polyanions, et les fréquences vibratoires du cadre cationique.
En quantifiant ces caractéristiques, ils ont dépisté d’immenses bases de données et découvert six nouveaux matériaux candidats censés surpasser les conducteurs de protons d’acide solide existants. Ces matériaux présentent une conductivité plus élevée à des températures inférieures à 200°C, permettant potentiellement des piles à combustible, des électrolyseurs, et des batteries à protons plus efficaces.
Énergie propre caféinée avec révolution du carburant à l’eau de mer
Enfin, les ingénieurs du MIT ont récemment développé une méthode durable pour produire du carburant hydrogène en utilisant de l’aluminium, de l’eau de mer, et de la caféine.
Leur article de recherche montre que le processus implique un prétraitement des pellets d’aluminium avec un alliage de gallium-et-indium pour éliminer la couche d’oxyde. Cela permet à l’aluminium de réagir avec l’eau de mer et de générer de l’hydrogène. Ajouter une petite quantité d’imidazole, un ingrédient actif présent dans la caféine, accélère considérablement la réaction, réduisant le temps à 5 minutes par rapport à 2 heures sans celle-ci.
Génération d’hydrogène à partir d’aluminium. Image gracieusement fournie par Kombargi et al.
Le système résultant a généré 1,3 litres d’hydrogène à partir de 1 gramme de pellets d’aluminium en 5 minutes. De plus, la solution ionique de l’eau de mer permet la récupération et le réutilisation de l’alliage gallium-indium, rendant le processus durable. Globalement, l’équipe croit que cette technologie pourrait alimenter les navires marins et les véhicules sous-marins, avec un réacteur à pellets d’aluminium de 40 livres capable d’alimenter un petit planeur sous-marin pendant 30 jours.
Avancer l’hydrogène
Les récents progrès de l’industrie dans la technologie de l’hydrogène—including le stockage amélioré par l’IA, la production par micro-ondes et les conducteurs de protons—répondent chacun aux défis actuels de production et de stockage. Avec de tels développements rapides, une adoption plus large de l’énergie à hydrogène est probable au cours de la prochaine décennie, entraînant des bénéfices environnementaux.