Une équipe de chercheurs du PNNL a proposé un moyen sûr de stocker et de libérer de l’énergie propre en se basant sur la chimie du bicarbonate de soude. Crédit : Image composite de Shannon Colson, Pacific Northwest National Laboratory
Des scientifiques du PNNL étudient les propriétés prometteuses d’un sel commun et abondant sur Terre.
Dans un monde où les températures ne cessent de se réchauffer, un consensus de plus en plus large exige que les sources d’énergie aient des émissions de carbone nulles ou presque nulles. Cela signifie qu’il faut aller au-delà du charbon, du pétrole et du gaz naturel en obtenant davantage d’énergie à partir de sources renouvelables.
L’un des vecteurs d’énergie renouvelable les plus prometteurs est l’hydrogène propre, qui est produit sans combustibles fossiles.
L’idée est 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 possède 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 en tant que moyen de stockage et de libération d’énergie, principalement en brisant ses liaisons chimiques. Une grande partie de leurs travaux est liée à l’Hydrogen Materials-Advanced Research Consortium (HyMARC) du ministère de l’énergie (DOE).
Sommaire
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, un problème tenace. 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.
Le chimiste Tom Autrey. Crédit : Photo d’Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory
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 DOE, qui fait partie de l’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables (EERE). La recherche fait progresser les objectifs du DOE en matière d’efficacité énergétique et d’énergie renouvelable. [email protected] du DOE ainsi que le projet Hydrogen Shot de l’agence.
Les deux principaux auteurs de ce 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 grand problème. « 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 répondre aux 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 Dunkelflaute.
L’ingénieur chimiste Oliver Gutiérrez. Crédit : Photo par Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory
C’est un mot allemand qui décrit les conditions dans lesquelles le potentiel d’énergie solaire et éolienne est insuffisant. Pendant les périodes sombres et sans vent de Dunkelflaute, les réseaux ont besoin d’un moyen de stocker l’énergie pendant plus de quelques heures.
Une telle 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, permet de séparer 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 soutenir les percées dans le domaine des technologies énergétiques propres. La première étape est l’Hydrogen Shot, qui vise à réduire le coût de l’hydrogène de 5 à 1 dollar par kilogramme en 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 transporter et le stocker », a déclaré M. Autrey, des étapes qui peuvent faire remonter les prix.
Mais la recherche du support idéal pour le stockage de l’hydrogène n’a pas abouti.
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 quelque chose de si froid (-471 F, ou -279,4 C) que les coûts énergétiques périphériques sont significatifs.
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 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, n’est pas toxique et permet d’abonder la Terre.
Pas exactement du bicarbonate de soude. L’équipe du PNNL étudie les propriétés de stockage d’énergie de l’hydrogène du cycle bicarbonate-formate, étudié depuis longtemps. (Le formiate est une molécule organique liquide douce et sûre).
Voici comment cela fonctionne : Les solutions d’ions formate (hydrogène et dioxyde de carbone) dans l’eau transportent de l’hydrogène à base de 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 organique liquide de l’hydrogène, terme générique utilisé par l’industrie pour désigner les moyens de stockage et de transport. En tandem, ils ont développé 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 d’hydrogène qui « ressemble à de 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 », a déclaré 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, ajoute-t-il, nous pourrions susciter un réel intérêt.
Une chose étonnante et brillante
Les solutions salines envisagées par le PNNL libèrent 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 l’article de 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. Et même d’utiliser le même support pour stocker les électrons, ce qui ouvre la voie aux piles à combustible au 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 Autrey. « Ce qui est passionnant, ce sont les possibilités.
Référence : « Using earth abundant materials for long duration energy storage : electro-chemical and thermo-chemical cycling of bicarbonate/formate » par Oliver Y. Gutiérrez, Katarzyna Grubel, Jotheeswari Kothandaraman, Juan A. Lopez-Ruiz, Kriston P. Brooks, Mark E. Bowden et Tom Autrey, 29 mars 2023, Green Chemistry.
DOI : 10.1039/D3GC00219E