De minuscules bulles peuvent faire augmenter de plus de 50 % la consommation d’électricité nécessaire pour produire de l’hydrogène vert.

L’hydrogène vert présente un problème majeur : sa production nécessite de grandes quantités d’électricité, ce qui augmente son coût et rend difficile sa concurrence avec d’autres alternatives énergétiques. C’est pourquoi tout progrès permettant de réduire la consommation électrique des électrolyseurs est particulièrement intéressant pour l’avenir de cette technologie.

Actuellement, une équipe de chercheurs de l’Université Cornell, aux États-Unis, et de la City University de Hong Kong a identifié l’une des causes de ces pertes d’énergie. Ce qui est surprenant, c’est que le problème réside dans quelque chose d’aussi insignifiant que les bulles qui se forment pendant le processus d’électrolyse de l’eau.

Les scientifiques ont développé un modèle informatique tridimensionnel qui permet d’étudier l’impact de ces bulles sur le fonctionnement des électrolyseurs. Les résultats montrent que, lorsqu’elles atteignent une taille donnée, elles peuvent provoquer une augmentation de plus de 50 % de la tension électrique nécessaire pour maintenir la réaction, ouvrant la voie à d’importantes améliorations dans la conception de ces équipements.

Le problème des bulles dans la production d’hydrogène vert

Pour produire de l’hydrogène vert, on utilise de l’électricité provenant de sources renouvelables, comme l’énergie solaire ou éolienne, afin de séparer l’eau en hydrogène et en oxygène. Ce processus, connu sous le nom d’électrolyse, s’effectue au moyen de dispositifs appelés électrolyseurs.

Pendant leur fonctionnement, les gaz générés forment de petites bulles à la surface des électrodes. Ces bulles grandissent jusqu’à se détacher et monter à travers le liquide, mais tant qu’elles restent attachées, elles peuvent entraver le contact de l’eau avec les zones où ont lieu les réactions chimiques.

Cela provoque un blocage partiel de la surface active et une augmentation de la résistance au passage du courant. En conséquence, l’électrolyseur doit appliquer une tension plus élevée pour produire la même quantité d’hydrogène, ce qui augmente la consommation d’électricité du processus.

Jusqu’à présent, les chercheurs avaient tenté de résoudre ce problème en modifiant la forme des électrodes, leurs matériaux ainsi que la circulation de l’eau. Cependant, il était difficile de calculer avec précision l’impact de chaque bulle sur l’efficacité énergétique.

Une découverte qui peut réduire considérablement la consommation d’électricité

Afin de résoudre ce problème, les chercheurs ont développé un modèle mathématique tridimensionnel qui reproduit le comportement des bulles sur les électrodes. Cet outil permet d’analyser les processus microscopiques et de déterminer leur influence sur les besoins électriques du système.

Les résultats ont permis d’identifier une taille critique de bulle à partir de laquelle les pertes augmentent rapidement. Lorsque les bulles restent en deçà de ce seuil, l’augmentation supplémentaire de la tension peut être maintenue dans les 3 %.

Cependant, lorsqu’elles dépassent cette taille, les besoins en tension augmentent de manière exponentielle. Dans certaines conditions, les chercheurs ont observé qu’une seule bulle pouvait provoquer une augmentation supérieure à 50 % par rapport à la tension nécessaire en l’absence de bulles.

La clé réside à faire en sorte que les bulles se détachent des électrodes avant d’atteindre cette taille critique. À cette fin, les scientifiques proposent de développer de nouvelles géométries et surfaces qui faciliteraient leur évacuation, réduisant ainsi les pertes énergétiques lors de la production d’hydrogène.

Un modèle 1 000 fois plus rapide pour développer des électrolyseurs efficaces

Un autre aspect très intéressant de cette recherche concerne l’outil informatique utilisé. Les scientifiques ont réussi à développer un système qui fonctionne comme un jumeau numérique d’un électrolyseur, en reproduisant ses matériaux, sa géométrie et ses conditions de fonctionnement.

Grâce à ce modèle, ils peuvent étudier le comportement des bulles et tester différents designs sans avoir à fabriquer physiquement chaque prototype. De plus, ils ont réussi à réduire l’effort de calcul d’environ 1 000 fois, tout en conservant la précision des calculs.

La prochaine étape consistera à étendre les simulations afin d’analyser la manière dont interagissent plusieurs bulles, comment elles grandissent et comment elles se rejoignent. Ils souhaitent également combiner cette technologie avec des outils d’optimisation et d’impression 3D pour développer des électrodes qui facilitent l’évacuation des gaz.

Un progrès important pour abaisser le coût de l’hydrogène vert

L’importance de cette découverte est directement liée au coût de production. Actuellement, obtenir un kilogramme d’hydrogène par électrolyse nécessite généralement entre 50 et 60 kWh d’électricité, en fonction de la technologie utilisée.

Cela signifie que, avec un prix de l’électricité de 50 euros/MWh, seule l’électricité représente entre 2,50 et 3 euros par kilogramme d’hydrogène produit. À ce montant s’ajoutent les investissements nécessaires pour les électrolyseurs, leur entretien ainsi que les autres coûts de fonctionnement.

Ainsi, améliorer l’efficacité énergétique peut avoir un impact considérable sur la compétitivité de cette technologie, en particulier dans les grandes installations industrielles qui produisent des milliers de tonnes d’hydrogène par an.

Le progrès réalisé par Cornell ouvre une nouvelle voie pour y parvenir. Au lieu de se concentrer exclusivement sur de nouveaux matériaux ou des technologies d’électrolyse, les chercheurs ont démontré que l’optimisation de la formation et de l’évacuation des bulles peut être essentielle pour réduire la consommation d’électricité.

Une amélioration qui pourrait contribuer à rendre l’hydrogène vert plus compétitif dans des secteurs tels que la sidérurgie, l’industrie chimique ou la production d’engrais, où remplacer l’hydrogène obtenu à partir de combustibles fossiles représente l’un des grands défis de la décarbonation.

Source | Pubs.rsc