Une percée dans la division de l'eau en ses parties pourrait aider à rentabiliser les énergies renouvelables, même quand le soleil ne brille pas et que le vent ne souffle pas.

Utilisation de l'énergie solaire et éolienne lorsqu'elle est disponible pour le fractionnement de l'eau, un processus qui utilise l'électricité pour diviser H 2 O en hydrogène et oxygène, offre un moyen de stocker de l'énergie sous forme de carburant hydrogène.

Actuellement le système le plus populaire utilisé pour le fractionnement de l'eau, ou électrolyse de l'eau, s'appuie sur les métaux précieux comme catalyseurs, mais une équipe de recherche collaborative, y compris des scientifiques du Laboratoire national de Los Alamos et de l'Université de l'État de Washington, a développé un système qui utilise des matériaux moins chers et plus abondants. Ils décrivent l'avancée dans un article publié dans Énergie naturelle le 9 mars.

"Le système actuel d'électrolyse de l'eau utilise un catalyseur très coûteux. Dans notre système, nous utilisons un catalyseur à base de nickel-fer, ce qui est beaucoup moins cher, mais les performances sont comparables, " a déclaré Yu Seung Kim, chercheur au Laboratoire national de Los Alamos et auteur correspondant de l'article.

Aujourd'hui, la plupart des fractionnements de l'eau sont effectués à l'aide d'un équipement appelé électrolyseur d'eau à membrane échangeuse de protons, qui génère de l'hydrogène à un taux de production élevé. C'est cher, et fonctionne dans des conditions très acides, nécessitant des catalyseurs de métaux précieux tels que le platine et l'iridium ainsi que des plaques métalliques résistantes à la corrosion en titane.

L'équipe de recherche a travaillé pour résoudre ce problème en divisant l'eau sous alcaline, ou basique, conditions avec un électrolyseur à membrane échangeuse d'anions. Ce type d'électrolyseur n'a pas besoin de catalyseur à base de métaux précieux. En réalité, une équipe dirigée par Yuehe Lin, professeur à l'École de génie mécanique et des matériaux de la WSU, créé un catalyseur à base de nickel et de fer, des éléments moins coûteux et plus abondants dans l'environnement.

L'équipe de Lin a partagé son développement avec Kim à Los Alamos, dont l'équipe a à son tour développé le liant d'électrode à utiliser avec le catalyseur. Le liant d'électrode est un polymère conducteur d'hydroxyde qui lie les catalyseurs et fournit un environnement à pH élevé pour des réactions électrochimiques rapides.

La combinaison du liant d'électrode développé par Los Alamos et du catalyseur de WSU a augmenté le taux de production d'hydrogène à près de dix fois le taux des précédents électrolyseurs à membrane échangeuse d'anions, ce qui le rend comparable à l'électrolyseur à membrane échangeuse de protons plus cher.

Environ 10 millions de tonnes d'hydrogène sont actuellement produites aux États-Unis chaque année, principalement en utilisant du gaz naturel dans un processus appelé reformage du gaz naturel, selon le département américain de l'Énergie. L'hydrogène produit à partir d'un processus de séparation de l'eau alimenté par de l'électricité issue d'énergies renouvelables présente de nombreux avantages économiques et environnementaux, dit Lin.

"Le fractionnement de l'eau est une technologie propre, mais vous avez besoin d'électricité pour le faire, " dit Lin, qui est également un auteur correspondant sur le papier. "Maintenant, nous avons beaucoup d'énergies renouvelables, énergie éolienne et solaire, mais c'est intermittent. Par exemple, la nuit, nous ne pouvons pas utiliser l'énergie solaire, mais si pendant la journée, nous pouvons utiliser de l'énergie supplémentaire pour la convertir en autre chose, comme l'hydrogène, c'est très prometteur."

Le marché mondial de la production d'hydrogène devrait atteindre 199,1 milliards de dollars d'ici 2023. Les marchés potentiels de l'hydrogène énergétique comprennent tout, de la conversion d'énergie de masse à la gestion du réseau électrique en passant par les piles à combustible pour les voitures. Lin estime qu'il existe environ 600 parcs éoliens aux États-Unis prêts à être connectés directement aux systèmes d'électrolyse de l'eau.