Des expériences en laboratoire et une campagne de vol parabolique ont permis à une équipe internationale de chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) d'acquérir de nouvelles connaissances sur l'électrolyse de l'eau, dans lequel l'hydrogène est obtenu à partir de l'eau en appliquant de l'énergie électrique. L'électrolyse de l'eau pourrait jouer un rôle clé dans la transition énergétique si des améliorations d'efficacité peuvent être réalisées. Les résultats publiés récemment dans la revue Lettres d'examen physique offrir un point de départ possible pour améliorer l'impact environnemental des technologies basées sur l'hydrogène.

Des solutions viables pour le stockage intermédiaire de l'énergie sont nécessaires pour garantir que l'excès d'électricité généré par les systèmes d'énergie solaire et éolienne pendant les pics de production ne soit pas gaspillé. La production d'hydrogène, qui peut ensuite être converti en d'autres vecteurs énergétiques chimiques, est une option intéressante. Il est essentiel que ce processus se déroule de la manière la plus efficace et donc la plus rentable.

L'équipe de chercheurs du HZDR, dirigé par le Pr Kerstin Eckert, spécifiquement axé sur l'électrolyse de l'eau. Cette méthode utilise l'énergie électrique pour diviser les molécules d'eau en leurs composants :l'hydrogène et l'oxygène. Pour faire ça, un courant électrique est appliqué à deux électrodes immergées dans une solution aqueuse acide ou alcaline. De l'hydrogène gazeux se forme à une électrode, et de l'oxygène de l'autre. Cependant, la conversion d'énergie entraîne des pertes. En pratique, la méthode offre actuellement une efficacité énergétique d'environ 65 à 85 pour cent, selon le procédé électrolytique utilisé. L'objectif de la recherche sur l'électrolyse est d'augmenter l'efficacité à environ 90 pour cent en développant de meilleures techniques.

Les bulles d'hydrogène oscillantes offrent une nouvelle compréhension

Une meilleure compréhension des processus chimiques et physiques sous-jacents est essentielle pour optimiser le processus d'électrolyse. Les bulles de gaz qui se développent sur l'électrode subissent une flottabilité, faisant monter les bulles. Le problème de la prédiction précise du temps de détachement des bulles de gaz des électrodes déconcerte les chercheurs depuis des années. Il est également connu que la perte de chaleur se produit lorsque des bulles restent sur l'électrode. Dans une combinaison d'expériences de laboratoire et de calculs théoriques, les scientifiques ont maintenant généré une meilleure compréhension des forces qui agissent sur la bulle. "Nos résultats résolvent un vieux paradoxe de la recherche sur les bulles d'hydrogène, " Eckert a compté.

Dans les expériences précédentes, les chercheurs ont déjà remarqué que les bulles d'hydrogène commencent à osciller rapidement. Ils ont étudié ce phénomène plus en détail :à l'aide d'une caméra ultra-rapide, ils ont capturé l'ombre des bulles, et analysé comment des bulles individuelles peuvent se détacher d'une électrode cent fois par seconde, pour le rattacher immédiatement après. Ils se sont rendu compte qu'une force électrique jusque-là négligée était en compétition avec la flottabilité, facilitant les oscillations.

L'expérience a également montré qu'une sorte de tapis de microbulles se forme en permanence entre la bulle de gaz et l'électrode. Au-dessus d'une certaine épaisseur de tapis, la force électrique n'est plus capable de faire reculer la bulle, lui permettant de s'élever. Ces connaissances peuvent désormais être utilisées pour améliorer l'efficacité de l'ensemble du processus.

Les vols paraboliques confirment les résultats

Pour justifier leurs résultats, les chercheurs ont répété l'expérience lors d'un vol parabolique parrainé par le Centre aérospatial allemand (DLR). Cela leur a permis d'examiner comment les changements de flottabilité influencent la dynamique des bulles de gaz. "La gravité altérée au cours d'une parabole nous a permis de faire varier les paramètres physiques clés, que nous n'avons pas pu influencer en laboratoire, " a expliqué Alexandre Bashkatov, auteur principal de l'étude récemment publiée. Le doctorat Un étudiant du HZDR a mené les expériences à bord du vol parabolique avec d'autres collègues. Pendant les périodes d'apesanteur approximative, en cas de chute libre lors d'un vol parabolique, la flottabilité est pratiquement nulle, mais est grandement améliorée à la fin de la parabole. Les résultats des vols ont également montré qu'il serait difficile de transférer les technologies de l'hydrogène à une utilisation potentielle dans l'espace - sans flottabilité, enlever les bulles de gaz de l'électrode serait un défi encore plus grand que sur Terre.

Application des électrolyseurs d'eau :Énergies régénératives pour la région

Malgré le fait que les expériences de l'équipe de recherche devaient se dérouler dans des conditions de laboratoire simplifiées, les nouvelles découvertes contribueront à augmenter l'efficacité des électrolyseurs à l'avenir. Les chercheurs, dirigé par Kerstin Eckert, envisagent actuellement de faire équipe avec des partenaires de Fraunhofer IFAM Dresden, TU Dresde, Université des sciences appliquées de Zittau-Görlitz et partenaires industriels locaux pour un projet explorant la production d'hydrogène vert dans la région allemande de Lusace. L'objectif du projet est d'améliorer l'électrolyse alcaline de l'eau à un point tel qu'elle puisse remplacer les combustibles fossiles. "Les électrolyseurs alcalins sont beaucoup moins chers et écologiques, et n'utilisent pas de ressources rares car ils n'ont pas besoin d'électrodes revêtues de métal précieux. L'objectif à long terme du consortium est de développer une nouvelle génération de dispositifs alcalins puissants, " a résumé Eckert.