Alors que l'hydrogène est souvent présenté comme un carburant sans pollution du futur, en particulier pour une utilisation dans des véhicules électriques à pile à combustible, l'hydrogène peut être utilisé pour bien plus que des voitures à zéro émission. En réalité, de l'amélioration de la flexibilité du réseau au verdissement de l'agriculture, l'hydrogène pourrait jouer un rôle majeur dans un système énergétique propre et résilient.

Afin de concrétiser cette vision, le ministère de l'Énergie (DOE) a lancé « Hydrogen at Scale, " ou H2@Échelle, une initiative qui explore le potentiel de production et d'utilisation d'hydrogène à grande échelle aux États-Unis au profit de nombreux secteurs de l'économie. À l'appui de l'initiative, les scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) portent de plus en plus leur attention sur la production d'hydrogène.

"L'hydrogène est un très bon vecteur d'énergie intermédiaire", a déclaré Adam Weber, chercheur au Berkeley Lab. « Il y a maintenant une grande priorité à utiliser l'hydrogène pour d'autres utilisations finales, pas seulement les piles à combustible et les véhicules.

Le problème avec l'hydrogène, c'est alors qu'il s'agit de l'élément le plus répandu sur notre planète, il n'existe nulle part à l'état pur. Cela signifie qu'il doit être produit à partir d'autres composés. Actuellement, la grande majorité de l'hydrogène est produite en l'extrayant du gaz naturel, un processus appelé reformage du méthane à la vapeur. Bien qu'il soit peu coûteux, il libère de grandes quantités de dioxyde de carbone dans le processus.

Pour une production d'hydrogène moins chère, plus efficace, et moins polluantes, les chercheurs du Berkeley Lab poursuivent plusieurs technologies alternatives, en tirant parti de leurs capacités dans les piles à combustible, matériaux, et d'autres domaines. Il s'agit notamment de l'électrolyse, qui utilise l'électricité pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène, et cellules photoélectrochimiques (PEC), qui utilisent la lumière du soleil pour faire la même chose.

Si l'électricité est produite par des énergies renouvelables, l'électrolyse est essentiellement sans pollution. "Nous pensons que si vous regardez la façon dont vont le solaire et le vent, les prix de l'électricité seront beaucoup plus bas à l'avenir, et aux heures creuses, le prix peut même devenir négatif, " Weber a dit. " Si nous pouvons utiliser cette électricité dans une unité d'électrolyse intermittente, nous pouvons commencer à produire de l'hydrogène très bon marché."

À mesure que l'utilisation de l'éolien et du solaire augmente, un surplus d'électricité deviendra un problème pour les services publics. « L'électrolyse devient un bon moyen d'utiliser l'excès d'électricité. " a déclaré Nem Danilovic, chercheur au Berkeley Lab.

En tant que responsable du groupe de conversion d'énergie au Berkeley Lab et directeur adjoint d'HydroGEN, un consortium DOE de laboratoires nationaux axé sur les matériaux avancés de fractionnement de l'eau, Weber supervise un certain nombre de projets pour les électrolyseurs à basse et haute température. L'électrolyse est en usage commercial aujourd'hui, mais le défi est de le rendre plus efficace et moins capitalistique.

Comme les piles à combustible, les électrolyseurs sont constitués d'une anode et d'une cathode séparées par un électrolyte. « Nous avons une vaste expérience dans la recherche sur les piles à combustible, et nous en tirons également parti pour l'électrolyse, " a déclaré Danilovic. " Beaucoup des mêmes outils et techniques qui ont été développés pour comprendre les membranes, catalyseurs, la modélisation est mise à profit pour s'appliquer aux électrolyseurs et, espérons-le, nous pourrons rapidement réduire le coût de la production d'hydrogène. »

Les recherches de Berkeley Lab sur la génération d'hydrogène bénéficient également des capacités développées au Joint Center for Artificial Photosynthèse, (JCAP), un centre d'innovation énergétique du DOE créé en 2010 pour faire avancer la recherche sur les combustibles solaires. En s'appuyant sur les travaux effectués par les chercheurs du JCAP du Berkeley Lab sur les cellules PEC (divisant l'eau en hydrogène sur une électrode et en oxygène sur l'autre), Weber et son équipe affinent davantage les cellules pour réduire le coût et les intégrer dans des appareils.

"JCAP a démontré des efficacités élevées pour prendre la lumière du soleil et obtenir des bulles d'hydrogène et d'oxygène, " Weber a déclaré. "Nous devons encore travailler sur la durabilité et le coût, mais nous avons développé de nombreuses capacités en science des surfaces, catalyse, l'intégration, et électrocatalyse. Beaucoup de ces capacités ont été transférées à notre travail sur l'hydrogène. »

D'autres projets de recherche comprennent un générateur solaire à hydrogène à pérovskite, un électrolyseur haute température à oxyde solide, ainsi que des recherches plus fondamentales sur les matériaux dans le cadre du consortium HydroGEN Advanced Water Splitting Materials, qui est dirigé par le Laboratoire national des énergies renouvelables. "Les matériaux - c'est là que nous pensons qu'il peut y avoir de l'innovation, en termes d'efficacité et aussi de coût, " a déclaré Weber. " Nous travaillons sur tout, des calculs ab initio des catalyseurs à la modélisation multi-échelle au niveau de la cellule, analyse des membranes, faire la fonctionnalisation de surface et les propriétés de surface, à l'analyse comparative."

De plus, les scientifiques de Berkeley Lab développent des outils et des analyses pour accélérer le processus de recherche et développement, y compris faire une analyse technico-économique pour l'intégration du réseau, comparer les technologies les unes aux autres afin d'avoir des métriques et des objectifs communs, et développer un référentiel de données sur les matériaux que les scientifiques peuvent utiliser comme outil de recherche.

Berkeley Lab fait également partie d'un autre consortium du DOE, Hydrogen Materials—Advanced Research Consortium (HyMARC), dirigé par Sandia National Laboratories, qui travaille sur un stockage d'hydrogène sûr et rentable. Des scientifiques de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, un centre de recherche scientifique à l'échelle nanométrique du DOE, travaillent sur plusieurs projets HyMARC et ont récemment mené une étude sur des nanocristaux de magnésium enveloppés dans une couche de graphène, qui s'est révélé très prometteur pour le stockage de l'hydrogène en toute sécurité et à haute densité. Le chercheur Jeff Urban dirige HyMARC pour Berkeley Lab.

S'il reste encore des problèmes scientifiques à surmonter Weber et Danilovic, à la fois dans le domaine des technologies énergétiques du Berkeley Lab, voir une grande promesse pour l'hydrogène de jouer un rôle dans les industries du transport au chauffage à la production alimentaire. L'agriculture moderne, par exemple, dépend fortement des engrais, dont ammoniac, ou NH3, est un élément clé. "L'hydrogène pour l'ammoniac est dérivé du gaz naturel, " a déclaré Danilovic. " L'utilisation d'hydrogène à faible coût issu de l'électrolyse pourrait offrir des opportunités de marché pour des actifs bloqués comme l'éolien et des industries telles que la production d'engrais. "

En permettant la production et l'utilisation à grande échelle d'hydrogène propre, H2@Scale aborde les problèmes clés, comme la résilience du réseau, sécurité énergétique, et les réductions d'émissions.

« Pour répondre à de multiples besoins en énergie et en transport, l'hydrogène est un catalyseur car nous pouvons le fabriquer à partir de divers intrants, y compris l'énergie nucléaire ou les énergies renouvelables telles que la lumière du soleil ou l'énergie éolienne, " a déclaré Danilovic. " Nous pouvons prendre de l'électricité propre et l'utiliser pour produire de l'hydrogène, un produit assez flexible qui peut ensuite être utilisé dans diverses industries, et dans le processus, permettre la sécurité énergétique, élasticité, et la croissance économique."