Voici une visualisation de ce à quoi ressemble une cellule ROUGE. L'hydrogène est produit à l'extrémité cathodique et l'oxygène est produit à l'extrémité anode. Illustration :NTNU
L'hydrogène en tant que vecteur d'énergie peut nous aider à nous éloigner des combustibles fossiles, mais seulement s'il est créé efficacement. Une façon d'améliorer l'efficacité consiste à utiliser la chaleur résiduelle provenant d'autres processus industriels.
En juin, l'Agence internationale de l'énergie a confirmé ce que la plupart des experts savent déjà :que le monde devrait redoubler d'efforts pour stimuler l'utilisation de l'hydrogène pur comme source d'énergie sans émissions.
L'un des enjeux de la création d'hydrogène, cependant, c'est qu'il faut de l'énergie, beaucoup d'énergie. L'AIE dit que produire tout l'hydrogène d'aujourd'hui en utilisant uniquement de l'électricité nécessiterait 3600 TWh, ce qui est supérieur à ce qui est généré annuellement par l'Union européenne.
Mais et si vous pouviez utiliser une source existante d'énergie gaspillée pour aider à la production d'hydrogène ? Une nouvelle approche développée par des chercheurs de l'Université norvégienne des sciences et de la technologie fait exactement cela, en utilisant la chaleur résiduelle d'autres processus industriels.
« Nous avons trouvé un moyen d'utiliser la chaleur qui, autrement, ne vaut pas grand-chose, " a déclaré Kjersti Wergeland Krakhella, le premier auteur d'un article sur le procédé publié dans la revue académique MDPI Energies. "C'est bas de gamme, chaleur à basse température, mais elle peut être utilisée pour fabriquer de l'hydrogène.
Un septième de la production d'électricité de la Norvège
La chaleur résiduelle est exactement ce à quoi cela ressemble :la chaleur produite en tant que sous-produit d'un processus industriel. Tout, d'une chaudière industrielle à une usine de valorisation énergétique des déchets, produit de la chaleur perdue.
Plus souvent qu'autrement, cet excès de chaleur doit être libéré dans l'environnement. Les experts en énergie affirment que la chaleur résiduelle des entreprises et industries norvégiennes équivaut à 20 TWh d'énergie.
Pour mettre cela en perspective, L'ensemble du système hydroélectrique norvégien produit 140 TWh d'électricité par an. Cela signifie qu'il y a beaucoup de chaleur résiduelle qui pourrait potentiellement être utilisée.
Membranes et sels
Les chercheurs ont utilisé une technique appelée électrodialyse inverse (RED), qui repose sur des solutions salines et deux variétés de membranes échangeuses d'ions.
Pour comprendre ce que les chercheurs ont réellement fait, vous devez d'abord comprendre comment fonctionne la technique RED.
Voici ce qu'il faut pour faire les cellules. Au premier plan de l'image se trouve la membrane échangeuse d'ions, tandis qu'à l'arrière se trouvent les composants de la cellule utilisés pour mesurer la conductivité de la membrane. Photo :Lars Robert Bang/NTNU
En rouge, une membrane, appelée membrane échangeuse d'anions, ou AEM, permet aux électrons chargés négativement (anions) de se déplacer à travers la membrane, tandis qu'une seconde membrane, appelée membrane échangeuse de cations, ou CEM, permet aux électrons chargés positivement (cations) de traverser la membrane.
Les membranes séparent une solution saline diluée d'une solution saline concentrée. Les ions migrent de la solution concentrée vers la solution diluée, et parce que les deux types différents de membranes sont alternés, ils forcent les anions et les cations à migrer dans des directions opposées.
Lorsque ces colonnes alternées sont prises en sandwich entre deux électrodes, l'empilement peut générer suffisamment d'énergie pour séparer l'eau en hydrogène (côté cathode) et oxygène (côté anode).
Cette approche a été développée dans les années 1950 et a d'abord utilisé l'eau salée et l'eau de rivière.
Ce que Krakhella et ses collègues ont fait, cependant, était d'utiliser un autre type de sel appelé nitrate de potassium. L'utilisation de ce type de sel leur a permis d'utiliser la chaleur perdue dans le cadre du processus.
Réutiliser les sels en utilisant la chaleur perdue
Si vous exécutez les piles ROUGES décrites ci-dessus, à un moment donné, les solutions concentrées et salines diluées se ressemblent de plus en plus, il faut donc les rafraîchir.
Cela signifie que vous devez trouver un moyen d'augmenter la concentration de sel dans la solution concentrée et d'éliminer le sel de la solution diluée. C'est là que la chaleur perdue entre en jeu.
Les chercheurs ont testé deux systèmes.
Le premier était l'endroit où la chaleur résiduelle était utilisée pour évaporer l'eau de la solution concentrée afin de la rendre plus concentrée.
Le deuxième système utilisait la chaleur perdue pour faire précipiter le sel de la solution diluée (il sera donc moins salé).
"Si vous trouvez un moyen d'éliminer l'eau ou le sel, vous avez fait le travail, " dit Krakhella.
Les chercheurs Odne Stokke Burheim et Kjersti Wergeland Krakhella assemblent la cellule de mesure de la conductivité de la membrane qu'ils ont utilisée pour tester leur utilisation de la chaleur résiduelle pour aider à produire de l'hydrogène. Photo :Lars Robert Bang/NTNU
Les deux avaient des avantages
Lorsque les chercheurs ont examiné leurs résultats, ils ont constaté que l'utilisation de la technologie membranaire existante et de la chaleur perdue pour évaporer l'eau de leur système produisait plus d'hydrogène par surface de membrane que l'approche par précipitation.
La production d'hydrogène était quatre fois plus élevée pour le système d'évaporation fonctionnant à 25 C et deux fois plus élevée pour un système fonctionnant à 40 C par rapport à leur système de précipitation.
Cela en faisait un meilleur candidat du point de vue des coûts.
Cependant, le processus de précipitation était meilleur en termes de demande d'énergie, les chercheurs ont trouvé. Par exemple, l'énergie nécessaire pour produire un mètre cube d'hydrogène par précipitation n'était que de 8,2 kWh, contre 55 kWh pour le processus d'évaporation.
Nouveau système avec de nombreuses possibilités
Alors que le travail de Krakhella prouve que le concept fonctionnera, elle a surtout travaillé avec un modèle de banc de laboratoire et beaucoup de calculs informatiques. Il y a encore beaucoup de travail à faire, surtout en ce qui concerne le type de sel utilisé dans le processus.
Les chercheurs ont choisi le nitrate de potassium pour leur système salin, mais d'autres sels pourraient aussi fonctionner, elle a dit.
"C'est un tout nouveau système, " dit-elle. "Nous devrons faire plus de tests avec d'autres sels à d'autres concentrations."
Les prix des membranes sont un facteur limitant
Un autre problème qui continue de limiter la production d'hydrogène est que les membranes elles-mêmes restent extrêmement coûteuses.
Krakhella espère qu'à mesure que les sociétés cherchent à s'éloigner des combustibles fossiles, l'augmentation de la demande fera baisser le prix des membranes, ainsi que l'amélioration des caractéristiques des membranes elles-mêmes.
"Les membranes sont la partie la plus chère de notre système, " a déclaré Krakhella. "Mais tout le monde sait que nous devons faire quelque chose pour l'environnement, et le prix est potentiellement beaucoup plus élevé pour la société si nous ne développons pas une énergie non polluante."
