Économie de l'hydrogène vert : les technologies qui changent la donne pour transformer l'approvisionnement mondial en énergie

L'hydrogène vert et l'économie de l'énergie mondiale

La recherche d'énergie durable est en cours depuis de nombreuses décennies, mais les combustibles fossiles représentent toujours plus de 80 % de la consommation actuelle d'énergie. Dans un monde qui recherche de toute urgence des sources ou des vecteurs d'énergie viables et durables, l'hydrogène constitue une option attrayante. L'hydrogène est un vecteur d'énergie potentiellement plus intéressant, car il présente une densité d'énergie supérieure (142 kJg-1) à celle des combustibles fossiles (10–50 kJg-1) sans émission de carbone. L'intégration vitale de la production, du stockage et de l'utilisation de l'hydrogène renouvelable dans le système d'énergie global est appelée économie de l'hydrogène vert (GHE).

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Bien qu'il ne produise aucune émission au point d'utilisation, l'hydrogène n'est aussi vert que les méthodes utilisées pour le produire. Le principal mode de production d'hydrogène fait actuellement appel aux combustibles fossiles ; 96 % de l'hydrogène est produit en utilisant du gaz naturel, du pétrole ou du charbon. La plus grande partie de cet hydrogène sert à la production d'ammoniac, indispensable à la fabrication d'engrais et de produits alimentaires. L'un des défis de l'hydrogène vert concerne sa faible densité à température ambiante, qui le rend très difficile à stocker en toute sécurité et efficacement. Le développement rapide des technologies des énergies renouvelables pour la production à grande échelle et le stockage pratique d'hydrogène vert pour des utilisations clés, en particulier la production d'électricité et la propulsion, sera probablement un élément essentiel pour parvenir à zéro émission nette de carbone dans les prochaines décennies.

Méthodes actuelles et en cours de développement pour la production, le stockage et l'utilisation d'hydrogène vert

Une forme courante de production d'hydrogène vert est l'électrolyse de l'eau à l'aide d'électrolyseurs. Ces cellules utilisent une grande quantité d'énergie et impliquent une réaction de dégagement d'hydrogène (RDH) au niveau de la cathode et une réaction de dégagement d'oxygène (RDO) au niveau de l'anode (figure 1). L'hydrogène produit peut être stocké, puis oxydé pour libérer de l'énergie et de l'eau. La cellule principale d'hydrolyse de l'eau est un électrolyseur alcalin et les autres types de cellules souvent utilisées sont la membrane à électrolyte polymère (MEP) et les électrolyseurs à oxyde solide (SOE). L'optimisation de ces électrolyseurs est l'objectif d'une grande partie de la recherche en cours.

La réalisation d'une électrolyse à haute température (par ex. SOE à 1 000 °C) peut réduire la consommation d'énergie de 40 % et la décomposition photocatalytique de l'eau peut réduire ou éliminer la nécessité d'appliquer un potentiel électrochimique. Des photocatalyseurs et les électrocatalyseurs sont actuellement en cours de développement pour améliorer encore l'efficacité des électrolyseurs.

Des technologies de stockage améliorées sont nécessaires pour que l'hydrogène vert puisse être conservé de manière sûre et efficace. Parmi les deux approches majeures de stockage (figure 2), les méthodes physiques impliquent une compression de l'hydrogène dans des cuves à haute résistance pouvant supporter des pressions de 350 à 750 bar. Les autres méthodes utilisent de l'hydrogène liquéfié en recourant à un refroidissement extrême, ou cryo-compression, ce qui nécessite beaucoup d'énergie pour atteindre la densité de stockage requise.

Les méthodes chimiques/basées sur des matériaux peuvent se diviser en deux catégories :

• L'adsorption physique, qui dépend de la zone de surface de différents matériaux, y compris le charbon activé, les nanotubes de carbone, le graphène et les infrastructures métalliques-organiques. Ces matériaux nécessitent des pressions de stockage plus basses, mais possèdent une énergie de liaison plus faible, qu'il faut surmonter en recourant à des températures cryogéniques.
• L'adsorption chimique, qui implique la liaison chimique de l'hydrogène au milieu de stockage. Parmi les matériaux de stockage, on peut citer les matériaux hybrides métalliques, les alliages de stockage d'hydrogène et les transporteurs d'hydrogène organiques liquides. Ils nécessitent des catalyseurs de déshydrogénation pour libérer l'hydrogène utilisé.

L'utilisation d'hydrogène vert implique souvent des piles à combustible qui convertissent l'énergie chimique en électricité et sont utilisables dans différentes applications dans les transports, les usages résidentiels et les utilisations commerciales, entre autres. Si elles reçoivent continuellement de l'hydrogène, les piles à combustible peuvent fournir une alimentation indéfinie en énergie, mais en général, la durabilité est un problème pour certains types de piles à combustible plus que pour d'autres. Les piles à combustible à hydrogène inversent l'électrolyse de l'eau pour générer un courant électrique ; elles contiennent généralement une membrane semi-perméable entre une cathode poreuse et une anode (figure 3).

Les différents types de piles à combustible à hydrogène en cours d'utilisation ou en développement sont les suivants :

• Les piles à combustible alcalines (AFC) sont les premières piles à avoir été largement utilisées (par ex. dans le programme spatial, à bord de véhicules et pour les sources d'alimentation fixes). Elles utilisent une solution alcaline concentrée comme l'hydroxyde de potassium (KOH) ou une membrane échangeuse d'anions et peuvent fonctionner à moins de 100 °C. Elles utilisent différents catalyseurs, mais sont sensibles aux contaminants.
• Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) utilisent une membrane acide (généralement un ionomère d'acide perfluorosulfonique - Nafion - Dupont). Elles sont légères, mais susceptibles à l'empoisonnement au CO.
• Les piles à combustible à acide phosphorique (PAFC) sont connues comme représentant la première génération de piles à combustible commerciales modernes. Elles fonctionnent à hautes températures (170 à 210 °C) et utilisent une forme hautement concentrée d'acide phosphorique (H3PO4) comme électrolytes, les électrodes poreuses en carbone contenant le catalyseur au platine. Elles sont également moins sensibles au CO, mais doivent être chauffées pour fonctionner.
• Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) sont les dispositifs les plus connus qui utilisent la réaction électrochimique. La réaction se produit dans les électrodes avec l'électrolyte et la différence de concentration en oxygène entre le combustible, c'est-à-dire l'hydrogène ou l'hydrocarbure et l'air/oxygène, permet la diffusion d'ions d'oxygène à travers l'électrolyte à des températures plus élevées, ce qui permet une mobilité suffisante des ions. Elles sont principalement utilisées dans les sources d'alimentation fixes et n'ont pas besoin de catalyseur de métal précieux. Toutefois, leur température de fonctionnement est élevée et elles présentent des problèmes de durabilité.

Tendances des publications et des recherches sur les technologies d'hydrogène vert

La Collection de contenus CAS™ est la plus grande collection organisée par des humains de connaissances scientifiques publiées, adaptée à l'analyse quantitative des publications scientifiques mondiales par rapport à des variables comme le temps, le domaine de recherche, la formulation, l'application et la composition chimique. Un nouveau livre blanc rapporte une analyse de la littérature universitaire et des brevets publiés de 2011 à 2021 au sujet de la production d'hydrogène vert, du stockage d'hydrogène et des piles à combustible énergétiques à base d'hydrogène. L'objectif était de parvenir à comprendre les tendances de la recherche sur l'hydrogène vert, la progression générale dans chaque domaine et les catégories de matériaux et les concepts qui entraînent l'innovation.

L'analyse de la littérature de 2011 à 2021 a permis de récupérer 107 293 articles de revues et 79 193 brevets. La plupart des publications concernant l'hydrogène vert proviennent de Chine, du Japon, des États-Unis, de la République de Corée et d'Allemagne. C'est en Chine que l'on publie le plus d'articles de revues et de brevets sur l'hydrogène vert et que cette publication augmente le plus vite (figures 4 et 5), probablement en raison d'une détermination nationale à parvenir à la neutralité carbone d'ici à 2060. Le Japon arrive en deuxième position en termes de publications et enregistre le plus grand nombre de brevets (figure 4). Les États-Unis sont à la troisième place en ce qui concerne le nombre total de publications (figure 4), mais le rythme des publications de revues a commencé à décliner en 2013 (figure 5).

Une vue détaillée de l'analyse de la littérature indique que la publication de revues et de brevets au sujet de la production d'hydrogène vert a nettement augmenté tout au long de la décennie (figure 6). Le nombre de revues consacrées au stockage de l'hydrogène a fluctué et généralement diminué tandis que le nombre de brevets augmentait régulièrement tout au long de la décennie (un pic bref en 2012-2013 a coïncidé avec la production du premier véhicule mondial à piles à combustible à hydrogène). Le nombre d'articles de revues au sujet des piles à combustible à hydrogène est resté relativement stable, alors que les brevets ont dans un premier temps diminué jusqu'en 2016 avant d'augmenter jusqu'en 2021. Le nombre de revues et de brevets dans ces trois domaines publiés par les six pays est indiqué dans le tableau 1.

Tableau 1. Articles de revues et brevets sur l'économie de l'hydrogène vert selon les principaux pays/régions producteurs de 2011 à 2021

Une analyse des six principaux cessionnaires de brevets concernant l'économie de l'hydrogène vert dans chacun des trois domaines de recherche est fournie dans le tableau 2. Il s'agit presque exclusivement d'entreprises d'automobile et d'électronique de l'est asiatique (Japon et Corée du Sud), avec une entreprise allemande, Bosch. Cela souligne à nouveau la prédominance des intérêts commerciaux asiatiques dans le développement des technologies d'hydrogène vert, tandis que l'activité aux États-Unis et en Europe est moindre.

Tableau 2. Principaux cessionnaires de brevets de l'économie de l'hydrogène vert dans chaque domaine de recherche de 2011 à 2021 (les sociétés multinationales sont réunies sous des noms individuels)

Les tendances notables des publications concernant des substances distinctes utilisées dans la recherche sur l'hydrogène vert (figure 7) portaient principalement sur les matériaux catalyseurs pour la production d'hydrogène vert, en particulier les matériaux inorganiques généraux et les oxydes, tandis qu'un intérêt croissant pour les polymères apparaît. Toutefois, une baisse plus récente semble suggérer que ce domaine approche de sa maturité commerciale.

Les éléments les plus fréquents dans les catalyseurs de production d'hydrogène vert étaient les matériaux carbonés, les oxydes de métaux de transition et les sulfures. On constate également un intérêt pour les métaux critiques tels que le cobalt, le nickel et le platine, ainsi que pour les métaux de transition d8 typiques des catalyseurs HER (figure 8).

Les tendances de publication sur les matériaux de stockage d'hydrogène présentaient un déclin général ; les matériaux clés identifiés étaient principalement des alliages, des matériaux inorganiques généraux, des petites molécules organiques/inorganiques et des matériaux hybrides (figure 7). Les publications ont également continué également à présenter des éléments et des oxydes représentant des sorbants carbonés, des catalyseurs de déshydrogénation et des modificateurs. Le carbone était un élément très présent sous forme de charbon activé, de graphène, dans les MOF ou les polymères. Les autres éléments de stockage importants étaient le magnésium (dans les matériaux hybrides métalliques et les alliages de stockage), le lithium, le sodium, l'aluminium et les métaux de transition (figure 8).

Les tendances de la recherche sur les matériaux des piles à combustible à hydrogène ont révélé une diminution générale des publications depuis 2013 (figure 7), mais on constate un intérêt constant pour les oxydes, les petites molécules organiques/inorganiques, les polymères et les alliages. Les substances clés des piles à combustible à hydrogène comprenaient les alliages de cobalt et les nanoalliages/nanoparticules visant à réduire la quantité de platine précieux utilisé comme catalyseur. La recherche s'efforce également d'améliorer la durabilité des piles à combustible en utilisant des nanostructures avec des métaux non nobles. Les autres matériaux intéressants étaient le carbone, le nickel, les oxydes (c.-à-d. le cérium [CeO₂]), le titanium (TiO₂), le monoxyde de nickel (NiO) et le sesquioxyde d'yttrium (Y₂O₃) (figure 8).

L'hydrogène vert jouera-t-il un rôle majeur dans le mix énergétique nécessaire pour sauver la planète ?

La recherche dans la littérature CAS, produisant plus de 107 000 articles pertinents et 79 000 brevets, offre quelques informations très utiles sur la recherche et le développement intensifs récents et en cours au sujet de la production d'hydrogène vert, du stockage et de l'utilisation d'hydrogène dans les piles à combustible. Les tendances dans les publications suggèrent que le stockage d'hydrogène et les piles à combustible deviennent technologiquement matures, alors que la production d'hydrogène vert en est encore à une phase exploratoire. La recherche sur l'économie de l'hydrogène vert semble se concentrer en Chine et au Japon, et des brevets sont déposés principalement dans les secteurs de l'automobile et de l'électronique japonais et sud-coréens. Cela pourrait préoccuper les nations occidentales, qui se sont engagées à n'émettre aucune émission de carbone au cours des prochaines décennies.
 
Pour faire encore progresser l'économie de l'hydrogène vert, il sera essentiel de créer l'infrastructure mondiale nécessaire pour la production, la fourniture et l'utilisation sécurisée de l'hydrogène dans différentes applications industrielles, domestiques, de transport et autres. Il faudra également renforcer la sensibilisation du public et l'acceptation de cette technologie. De nombreux défis subsistent dans le domaine de l'hydrogène vert, mais les recherches dans la littérature ont révélé des progrès considérables et des efforts continus, ce qui indique que l'hydrogène devrait devenir un élément transformateur du mix énergétique durable à travers le monde au cours des prochaines décennies.